構建基于水產福利養殖理念的高端養殖戰略研究

雷霽霖，黃 濱，劉 濱，徐志方，顏闊秋，翟介明

（1.農業部海洋漁業可持續發展重點實驗室，青島市海水魚類種子工程與生物技術重點實驗室，中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071；2.海爾集團技術研發中心，山東青島 266103；3.金貝兒（福建）水環境工程有限公司，福建寧德 352100；4.萊州明波水產有限公司，山東煙臺 264000）

1 前言

近年來，健康養殖、生態養殖、工業化養殖和福利養殖等關鍵詞[1～4]已經在水產界廣為流傳，并成為國人關注的熱點。究其原因，主要是人們經常可以聽到或見到畜禽業發生災情，如暴發人畜共患禽流感、豬鏈球菌病、流感等嚴重疫病，有的已經直接危及人類生命安全，致使廣大消費者對頻發的食品安全問題表現出越來越多的擔憂，并引起業內專家、各級政府和國際社會的高度重視。大量研究表明，如果養殖動物的生存環境得不到基本保障，如飼養密度過高、動物活動受限、養殖環境日益惡化等，則會造成動物機體抵抗力下降，為疫病的流行和傳播創造條件。對于養殖魚類而言，如果賴以生存的水環境日益惡化，則會產生環境脅迫而出現經常性的應激反應，導致飼料轉化率降低，魚體健康狀況下降，死亡率不斷上升。上述現象如果頻發且盲目用藥，則會導致藥物殘留或毒素在魚體內積累，從而使養殖產品質量和食用安全受到嚴重影響。

動物福利是指在集約化養殖條件下，首先要保障養殖動物的基本生存條件，進而要求盡量提高養殖動物的福利水平，才能保證養殖對象的持續健康，最終達到向市場提供優質、安全食品的要求。因此為了達到環境友好、優質高效的生產目標，就必須構建一種養殖環境高度可控、動物福利條件優越的高端養殖系統或模式，方可不斷提高養殖水平。目前，我國現行的陸基工廠化養殖大多數尚停留在開放式生產水平，養殖設施落后，水資源浪費大，廢水未經處理直接排放入海，內外環境難以控制，動物福利無法保障，因而導致病害頻發，產量、質量、效益以及食品安全的信譽度下降，嚴重制約著我國水產養殖業的可持續發展。因此擺在我們面前的是理念與技術的挑戰。

進入21世紀以來，雷霽霖等積極投入陸基工廠化提升至工業化循環水養殖模式的研究，為實施水產福利養殖提供了可靠載體。工業化循環水養殖是一種養殖技術精準化、環境綜合條件高度可控的先進養殖模式，即在整個產業鏈上集成了多種先進設施與技術，可按各種魚類生理、生態需求，自動調控水溫、水質，使養殖魚類雖在集約化生產狀態下，但水質環境完全處于物聯網智能化調控之中，實現產業鏈安全可靠運行，養殖魚類的福利條件能夠持續得到滿足。由于這種養殖系統還具有節水、節地、節能、減排等特點，可以大幅度提高生產效率，是當前養殖生產中工業化技術應用水平最高的一種模式，被國際公認為現代化海水養殖的發展方向[5]。因此，在大力推行工業化循環水養殖的今天，應當廣泛開展福利養殖相關學科的研究，建立福利評價標準，為構建更高層次的福利養殖模式提供更多的前沿技術，將成為今后維系養殖業發展與國民食品安全的頭等大事。

2 水產動物福利養殖的基本概念和實踐意義

動物福利（animalwelfare）一詞，20世紀60年代初源自英國，主要針對畜牧業在集約化生產中出現諸如疾病增多、機體損傷加劇、死淘率上升、異常行為頻發等，人們為此提出應該在保證畜禽正常生產的同時，充分重視畜禽的福利狀況，以提高畜禽在生產過程中的福利水平[6]。為了定義理想的動物福利狀態，世界養殖動物福利協會（FAWC）建立了享有“五大自由”的標準框架[7]。其分別為：“享有不受饑渴的自由，享有生活舒適的自由，享有不受疼痛、傷害和疾病的自由，享有生活無恐懼和悲傷感的自由，享有表達其正常行為的自由”。動物身體健康、舒適是被普遍認同為最能衡量福利是否良好的一個必要條件[8]。福利應側重于動物自身感受、強調動物的健康生長。因此，福利養殖理念是健康養殖的核心和基礎，研究養殖福利應以研究健康養殖模式為前提。

“水產動物福利養殖”的概念涉及影響養殖動物的所有生產環節[9，10]，如養殖基地建設、養殖過程、產品收獲、運輸、加工與營銷策略等各個方面，具體涉及的主要內容包括以下4個方面。

1）養殖水環境。集約化養殖條件下的水環境，是直接對魚類產生脅迫的最重要因素，包括水質條件和環境條件。水質條件指水體中所含有的氨氮、亞氮、化學需氧量（COD）、pH、溶解氧（DO）、氧化還原電位（OPR）、鹽度等指標；環境條件主要指溫度、流速（變速）、流態、聲、光、電等。水質條件差，特別是氨氮、亞氮指標高時，對養殖魚類的危害最嚴重，相當于人類生活在污染較嚴重的環境之中，會直接導致健康水平的下降和疾病的入侵。從養殖魚類感受的角度來看，如果水環境惡化，則會表現為活力減弱、生長緩慢、病害頻發、成活率下降。因此，改善和優化養殖水質條件是提高福利養殖的首要條件。

2）養殖管理。對于高度集約化的養殖模式而言，養殖密度的制定一直以來是值得從業者深入探討的棘手問題。選擇適宜的養殖密度可以減少養殖魚體過度接觸而造成傷害，降低采食時的相互干擾和爭搶概率，減少因躲避而發生碰撞和疾病傳播機會。另外，要減少因人為驚擾而產生應激反應，就必須提高從業人員技能和素質，善待養殖動物，提高科學投飼策略，保持良好的環境衛生和嚴格執行養殖規程等，如一方面要主動調動養殖魚類的食欲，滿足其溫飽福利，另一方面要避免過度投喂影響水質惡化，引發病害發生。

3）飼料與營養。現在養殖魚類的溫飽雖已不再是集約化養殖的突出問題，但飼料與營養卻永遠是一個關系到養殖魚類健康、快樂成長的重要福利因素。

4）病害防治。毋庸置疑，病害是水產養殖的關鍵點，養殖魚類遭受疼痛、傷害之苦，嚴重時會影響到養殖成活率，甚至導致養殖的完全失敗。對于水生養殖動物而言，病害侵襲似乎難以完全避免，但是作為管理者最重要的責任應該是要做好防疫、預警、免疫預防和及時診治的工作，以便有效減少疾病的發生。

因此，對水產福利養殖可以定義為：在集約化養殖模式下，為養殖動物提供一個符合其生物學習性、適于生長和極少有脅迫感的軟硬件養殖環境，并保障飼料供應充足、疾病防控措施嚴密和控管規程精準的一種高端養殖生產模式。也就是說，福利養殖所追求的終極目標是：規避各種脅迫帶來的生理、生化和行為等一系列壓力，以保障養殖動物健康、安全成長。因此，評估降低應激反應的方法成為今日水產養殖業界一個非常活躍的研究課題。大量研究證明，水產養殖動物特別是魚類，對外界的脅迫因子都會產生生理、生化反應[11～15]，故尋找脅迫反應信息的各種途徑被視為動物福利研究的重要內容。例如，脅迫應激反應會引起魚體血液中多種激素水平的變化，其中較常見的激素有皮質醇、腎上腺素、生長激素、性腺激素等[16～28]；此外，血液中的紅細胞數量、白細胞數量、血紅蛋白含量、細胞脆性及細胞直徑等血液生理指標，也會在脅迫因素影響下發生一定的變化[20]；血漿中的葡萄糖和乳酸的水平經常與皮質醇一同用于評估脅迫應激水平[21，22]；血清中的許多酶成分也是反映魚體脅迫狀況的重要指標，包括超氧化物歧化酶（SOD）、堿性磷酸酶、溶菌酶、轉氨酶等[20]。近年來，通過研究魚體內與脅迫相關基因的表達，進而篩選敏感的生物標志物用于評估脅迫應激程度以改善魚類福利，已經成為新的研究熱點；熱激蛋白、生長激素和抗菌肽家族等重要脅迫相關基因已經成功地被應用于評價海鱸、鯛、鰨等養殖魚類的動物福利[23～25]。

由于各種水產動物的養殖福利是生活在復雜多樣或特定的生態條件下的，其生理、生化和行為等方面均會產生一系列微妙變化，甚至產生較大的差異。因此截至目前，尚無一種可靠的方法能夠準確評估水生養殖動物的福利水平[26，27]。但是，隨著養殖設施、養殖技術以及生物學研究的不斷深入，在一個設施裝備精良、環境條件穩定的封閉式循環水工廠化養殖條件下，深入闡釋水生養殖動物福利將成為可能[28]。今后，基于福利養殖理念，構建一個水產養殖動物的健康評價機制，實時或定期監測水產養殖動物和環境的主要代表性指標，通過對照經過科學篩選而設定的動物健康和環境標準，對偏離標準較大的指標采取調控相關的環境和營養參數，實施精準管控，使養殖動物回歸到健康生長狀態是完全可以做到的。

3“理念與技術”高度融合的工業化循環水福利養殖模式

3.1 我國工業化循環水養殖模式與智能化技術開發概況

目前，中國是全球第一水產養殖大國，但養殖理念和模式較為傳統，陸基工廠化養魚起步較晚，技術裝備較落后，近年來循環系統養殖雖有所發展，但仍以室內高密度流水養殖為主體。至2008年，工廠化養殖總面積達到2.991 9×107m2，平均單產為7.4 kg/m3，其中淡水工廠化養殖面積為1.6428×107m2，平均單產為8.2 kg/m3；海水工廠化養殖面積為1.367 1×107m2，平均單產為6.4 kg/m3。雖然我國工廠化養殖規模不小，但養殖環境可控性差，盲目追求養殖產量和經濟效益，急功近利明顯，尤其水產福利養殖未得到應有的重視，嚴重制約了養殖產業的可持續發展。預測如果今后大力推進高起點、智能化的陸基循環水福利養殖，則可以收到“軟件與硬件合一、理念與技術融合”的健康養殖效果，就必然受到業界的認同，而成為建設現代漁業的主體養殖模式。

水產養殖數字化研究與應用，從“十一五”開始進入國家“863”計劃，取得了初步進展。但在自動化、數字化、信息化等高新技術應用上基本停留在簡單的、局部的養殖監控層次，除對單項水質因子實行監控和簡單的疾病預檢之外，尚缺乏對復雜環境因子，特別是與魚類生理、生化，以及行為學信息相關的監控，更缺乏系統性和整體性的裝備系統運行，這方面與國外相比存在較大差距。近年來，少數龍頭企業對前沿技術進行了追蹤，但除個別廠家外僅限于部分養殖車間的在線監測，尚未形成覆蓋整個養殖場區的數字化監管系統，因而尚不能發揮整體效果；同時還存在重視硬件建設而忽視軟件開發的傾向，導致數字化模型缺失和配套技術中存在的問題無法獲得權威性的解決方案。因此，今后應當大力構建基于福利養殖理念的高端工業化循環水養殖模式，以適應我國現代漁業建設的戰略需要。

3.2 構建工業化循環水福利養殖模式的策略

目前，我國的封閉式循環水養殖系統可以分為設施型和設備型兩大類。隨著工業化循環水養殖產業的快速發展，這種分類方法略顯簡單，對于一般的養殖企業或個體養殖業戶來說，尚難根據自身條件來選定所需要的系統裝備，因此希望有單一和組合型的裝備以供選擇。為了滿足不同規模、不同層次用戶對循環水養殖系統的需求，建議制造商和營運商今后應當從循環水系統的產能和建造成本上對其系列產品進行標定，以幫助用戶比較容易地從型號和類型上甄別出這些系統的特征和水平，同時有利于引導我國的循環水養殖裝備制造工業朝著標準化、模塊化的方向發展。

1）按系統產能標定。以構建年產5噸級、10噸級、20噸級的封閉循環水標準化養殖單元系統為基礎，配套生產標準化、系列化、模塊化的設施與裝備，進一步可按不同規模需求進行單元組合，如組裝年產50噸級、100噸級，甚至可以組裝任何級別的封閉式循環水養殖工廠。

2）按系統造價標定。設計出簡約經濟型、節能實用型、高端智能型3種不同類型的封閉式循環水養殖系統，供不同經濟實力的養殖企業和個體業戶選擇。

亦可采用產能和造價綜合標定方法，建造10噸級或更高級別的高端智能型封閉式循環水養殖系統等系列產品。

工業化循環水養殖魚類的福利狀況，通常由養殖水環境、營養飼料、病害防治和日常養殖管理四大影響因子決定。這四大影響因子與世界養殖動物福利協會所提的“五大自由”標準基本相符，因此應當全面分析這些影響因子的可控性及其相互間的耦合性，巧妙運用工程化技術手段使其實現智能化聯動調控，就能基本保障養殖動物達到良好的福利狀況。根據我國經濟魚類主養品種的生物學特性，結合我國的經濟發展狀況、養殖技術和裝備制造水平，以及養殖從業人員的素質和技能狀況，探索構建適合我國國情的、理念與技術高度融合的工業化循環水養殖模式，這就是我們當前有效推進工業化循環水福利養殖戰略的基本保證。

3.3 工業化福利養殖系統中物聯網智能化管控平臺的構建

數字化、智能化和物聯網技術在工業化養殖模式上的應用，是現代漁業發展到一個全新階段的突出標志。工業化水產福利養殖對信息實時獲取和智能化處理的要求很高。智能化管控平臺具體可以分為：基于物聯網的傳感器網絡、報警監控系統、通信網絡、智能數據處理中心和手持移動終端等5個主要組成部分。

物聯網的傳感器網絡主要由ZigBee通信的各種傳感器網絡組成，可對包括水質指標中的溫度、pH、DO、氨氮、亞硝酸氮、鹽度和氧化還原電位等關鍵參數實施在線監控。該網絡的特點是自組織、低成本、低能耗、近距離、低復雜度。每一個zigbee節點都可以作為路由節點，中繼其他節點的無線電信號。每一個ZigBee群組，如一個水箱配備一臺Zig-Bee可編程邏輯控制器（PLC），該PLC將ZigBee傳輸來的傳感器數據打包，并通過工業現場總線（如CAN總線、Profibus）發送到智能數據處理中心。

報警監控系統，主要由網絡互聯協議（IP）高清數字攝像機、安防監控系統等組成。每一臺IP攝像機都有一個獨立的IP和域名，其采集的視頻數據經授權后可在全球任意電腦上用Web直接查看。視頻數據會矩陣式實時顯示在監控中心大屏幕上。安防監控系統主要由紅外、設備故障、火警、入侵防范等部分組成，一旦有警情發生，監控大廳會立即響起警報，并在地圖上標明警情的坐標，大屏幕會自動切換到警情所在監控區域。現場的工作人員手持終端也會實時收到報警消息，指引其立即處理。

通信網絡，主要由ZigBee PLC、工業現場總線、交換機、路由器、光纖、機柜等組成。ZigBee PLC將收到的ZigBee數據通過工業現場總線發送到監控中心，并最終實時顯示到監控軟件。監控的視頻、語音數據將通過交換機、光纖等組成的以太網絡傳輸到監控中心。

智能數據處理中心由工業組態軟件、智能分析服務器、數據存儲服務器、監控終端等組成。工業組態軟件如iFIX、組態王等在組態畫面上實時顯示各個傳感器的參數，并按照編程規則對設備進行控制。智能分析服務器，具有一定的人工智能，可對傳感器、視頻、安防等系統的數據進行綜合處理，如可以根據監控圖像分析魚群的行為、活力、狀態等感觀性狀。智能數據處理中心，通過數據的實時分析及智能化處理，在實現對水產養殖全過程的自動控制與智能化管理的同時，形成對魚類各種影響因子與飼料投喂量的數據庫，結合科學的動物健康評價標準，可對大量養殖數據進行處理挖掘，分析影響動物健康的各種指標、參數，探索其最經濟、最健康的福利養殖控制參數，并可進行最佳配合，從而組合形成工業化福利養殖的高端模式，不斷改進自動控制與智能化管理水平，以提高養殖魚類的幸福指數、循環系統經濟效益和推進福利養殖事業的發展。手持移動終端，由專用的手機硬件和軟件組成，通過W I-FI或3G信號與智能數據處理中心直接通信，根據授權級別在手持移動終端上可以實現傳感器數據、報警信息、監控視頻、視頻通話、設備控制等功能即時讀取。工廠管理者和現場工人通過手持終端機可以隨時隨地掌控現場的局勢。

由物聯網技術裝配的智能化水產福利養殖管控平臺，集成了遠程視頻監控技術、準確識別技術、水質監測技術、自動精準投喂技術、設備遠程智能控制技術、設備故障自動報警、專家遠程診斷、決策管控技術以及病害預警防控等技術，最終實現對水產養殖全過程的自動化控制與智能化管理。該系統如果與物聯網物流體系相結合，則可形成從養殖、運輸、營銷到餐桌的商品魚質量安全追蹤體系，構成一體化的管理系統，實現魚類福利養殖的終極目標——保障人類健康安全和呵護人與動物和諧相處的生態環境。

3.4 發展工業化循環水福利養殖的技術路線

工業化水產福利養殖，是由多種先進裝備配套、組裝而成的一種封閉式循環水系統。它的裝備綜合性能很強，涉及裝備制造、防腐材料、機械設計、遠程監控、自動控制、生物技術、水質處理、紫外線殺菌、營養飼料、病害防治、智能化管理等諸多行業，顯現科技與產業、生物技術與工程技術的關聯度很高。根據循環水養殖系統工藝流程的運行特點，尤其當福利養殖理念注入系統內核之時，構建高端的、人性化的工業化養殖模式，發展新概念養殖戰略就會成為從業者的必然選擇。為了實現上述福利養殖方案，擬采取如圖1所示的技術路線。

圖1 實施福利養殖的技術路線與集成方案框圖Fig.1 The flow chartof technical route and integrated program ofwelfare culture

1）以工廠化循環水養殖條件為基礎，開展不同福利水平下，各種影響因子對魚類生理指標的關聯度分析和敏感性試驗。對能夠充分體現養殖魚類福利的健康生理指標進行篩查、優選、評定，建立起工廠化循環水模式下，海水魚類福利養殖的生理指標評價方法和標準，科學合理地確定海水魚類在工廠化福利養殖條件下可供參照的生理指標。

2）以提升海水工廠化福利養殖水平為目標，確定工廠化循環水系統的優化設計方案和工藝；以參照性強的福利養殖生理指標為標準，改進與水環境調控關聯度較高的物理過濾和生物過濾等關鍵設備；研發高效生物功能菌的篩選與快速擴繁掛膜技術；構建標準化、系列化、模塊化的裝備制造標準體系。

3）在已有魚類配合飼料研制基礎上，根據封閉式循環水養殖環境條件和特點，進行配方改進，開發不易離散且可改善魚類肌肉品質的營養配方；進行投喂策略和精準投喂技術與裝備的研究。

4）利用變頻技術和智能調控技術，對水泵、微濾機、氣浮機、生物濾器（或濾池）、羅茨風機、純氧、臭氧、調溫、紫外、自動投餌、在線監測、電動閥門等設備進行聯機運行或兼容性升級改造，形成機械化與自動化水平較高的工業化循環水系列設施與裝備。

5）通過觀察記錄、檢測試紙和視頻等手段，收集病魚早期行為表征等資料，結合實驗室臨床觀察和疫病的癥狀分析，開發快速診斷技術，或建立遠程疾病診斷和預警系統，盡力提高診斷速度和效果。在工廠化循環水系統基礎上，研究單池回水管路旁通隔離阻斷病原的設計方案，將有早期帶病者的養殖池從循環系統中隔離出去，實施臨時的流水養殖，并可對癥施藥，形成循環系統病害預警與隔離防控體系。

6）對水質環境、養殖密度、水循環速率、氣水比、營養飼料與投飼策略、病害免疫防控、智能化監測等與養殖魚類福利有關的影響因子進行定量和定性分析研究；結合水質自動在線監測系統，集成循環水系統所有設施裝備，利用物聯網智能化、信息化技術手段，實現循環水系統多種設備、多種技術的智能化聯機調控，以達到海水工廠化福利養殖系統的標準化構建。

綜上所述，本文以鲆鰈類工業化養殖為樣板，運用制造業、工程化、信息化和自動化等多種先進技術，將其統一在福利養殖理念之下，形成一個先進的、完備的裝備系統，使其所有技術內涵均與魚類的福利需求實現高度融合。那么，在我國成功構建具有節能減排、優質高效，形成魚與系統和諧運轉的、工業化形態的高端水產養殖產業，就必定能夠成為現實。

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