LED光源在海水養殖水體中傳播特征解析*

張延青 秦 菲 費 凡 李笑天黃 濱趙奎峰 劉寶良,2①

LED光源在海水養殖水體中傳播特征解析*

張延青1,3#秦 菲1,3#費 凡1,4李笑天1黃 濱1趙奎峰5劉寶良1,2①

(1. 中國水產科學研究院黃海水產研究所 農業農村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 青島 266071；2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋漁業科學與食物產出過程功能實驗室；3. 青島理工大學 青島 266033；4. 大連海洋大學 遼寧省水產設施養殖與裝備工程技術研究中心 大連 116023；5. 山東東方海洋科技股份有限公司 煙臺 264000)

光是影響水生動物生長和發育的重要環境因子，其在養殖水體中的傳播特征仍未明確。本研究選取紅光(波峰為645 nm)、綠光(510 nm)、藍光(445 nm)、UVA(355 nm)以及全光譜(藍光激發硅酸鹽熒光粉輻射的白光波長范圍可達400~800 nm)5種LED光源，調整輻射照度為60 W/m2，研究其在不同養殖水質環境中的傳播規律，為滿足室內工廠化水產養殖對象的光生物學需求，實現養殖光環境標準化調控提供參考。結果顯示，5種不同光譜特征的LED光源在深井海水中的透光率隨水深增加呈降低趨勢，不同光源間變化趨勢存在差異。當透光水深為10 cm時，綠光透光率最大，為(46.01±4.03)%，UVA最小，為(26.01±2.53)%；當透光水深為150 cm時，各光色透光率均小于1.5%；5種不同光色的光源在水體中的透光率衰減曲線均符合乘冪函數。水體對LED光的吸收在不同的光譜區域是不同的，具有明顯的選擇性，水對光譜中紅外部分的吸收最為強烈，對可見光譜波段中的紅色、黃色和綠色光譜區段的吸收也十分顯著；LED光源在養殖水體中衰減嚴重，水深是影響LED光源在水體中傳播的主要因素(<0.01)，其次是總懸浮物(TSS)和化學需氧量(COD)，但不同光源在養殖水體中受TSS和COD含量的影響程度不同。光在水體中的衰減由水對光的吸收以及散射作用引起，且光在不同波段的衰減率主要由水生介質的吸收光譜決定。

LED光源；養殖水體；傳播特征；輻射照度；透光率

光環境是設施水產養殖生產中最重要的環境因素之一，在調控水生動物生長發育、行為及攝食，實現優質、高效生產等方面具有不可替代的作用(Moller, 1975; 鐘志海等, 2014; Gehrke, 2010; Blaxter, 1968)。自20世紀90年代起，在設施漁業方面，挪威、蘇格蘭及日本等多國科技人員圍繞光照影響魚蝦生理機能的影響研究逐漸增多，但主要針對傳統光源的補光應用研究，沒有實現光譜的精準化調控。LED光源具有光電轉化效率高、光利用率高、可控性強、壽命長、節能效果好等優點，在農業、醫學、生物等領域也有巨大的應用空間(任桂萍等, 2016; 楊其長等, 2011; 石志芳等, 2017)。

近年來，隨著設施漁業的不斷發展，LED光源在調控水產動物繁殖、生長及行為等方面的應用研究逐步增多。Sierra-Flores等(2016)研究發現，與紅光相比，綠光和藍光對大西洋鱈魚()和大菱鲆()有促進作用，但其在綠光照射下的成活率均最低。Blancovives等(2010)研究發現，不同LED光譜對于塞內加爾鰨()仔魚的變態過程有顯著的調控作用。Guo等(2012)研究發現，從藍光到綠光不同光譜區域的周期性波動可以促進凡納濱對蝦()的生長，并且這種周期性的光色波動可以用作對蝦養殖中的光色調節模式。徐華兵等(2017)研究發現，水下LED光源可以增加凡納濱對蝦養殖水體中微藻生物量的積累，增強浮游植物群落的穩定性，同時也發現，LED光源對水質的穩定也發揮著積極作用。綜上所述，LED光源對水產動物具有明顯的調節作用，但經查閱大量相關研究報道，研究人員均采用了定點光源、定量光強和特定光譜，忽略了LED光源在養殖水環境中的傳播特征。

光在水環境中傳播的因素影響較多，如水深、懸浮物、有色可溶性有機物(CDOM)、葉綠素等(馬紹賽, 2012; Christian, 2003)。在開放水域中，楊頂田等(2003)研究發現，近紫外及藍光在湖波中的衰減受懸浮質、葉綠素以及有色可溶性物質共同作用；張運林等(2004)通過分析太湖水體表層光學衰減系數與透明度、無機和有機顆粒物質之間的關系，發現太湖光學衰減系數變化的主要影響因子是無機及有機顆粒物；溫少紅(2001)通過研究光在螺旋藻培養液中的衰減規律，較好描述了螺旋藻培養液中光照強度、螺旋藻濃度及培養液深度之間的關系；徐明芳等(2001)研究發現，當光波長及光傳播的路徑確定時，光生物反應器中光衰減特征主要受培養物生物量濃度的影響。迄今為止，關于光源在養殖水環境中的傳播特征的研究未見報道。

工廠化養殖具有集約化程度高、可控性強、受外界環境影響小等優點，已成為重要的水產養殖模式之一(沈明明等, 2017)。相較于池塘、網箱等傳統開放式養殖模式，室內工廠化養殖對自然光線進行了隔絕或者阻攔，可控替代光源的開發以及光照策略的構建應用顯得尤為重要。養殖水環境中影響LED光源傳播的因素相對復雜，LED光源在養殖水環境中的傳播特征仍未明確。本研究利用地下深井海水和凡納濱對蝦工廠化養殖車間水體模擬養殖水環境，通過研制測量設備，利用直接測量法并進行數據統計分析，對不同光譜成分LED光源在養殖水環境中傳播規律進行總結，以期為室內工廠化海水養殖動物的光生物學效應研究的開展和養殖光環境優化策略提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

為避免外界光源交叉污染，準確測定LED光源在養殖水環境中傳播特征，項目組研制了水環境光傳播測定輔助裝置，該實驗裝置主要由水位槽和測定槽兩部分構成，其中，水位槽高2238 mm，外徑315 mm，有效水深為2000 mm；測定槽高200 mm，水位槽和測定槽之間由1塊高純度石英片(純度為99.99%，直徑200 mm，厚15 mm)連接。石英片購自江蘇省東?？h昊天石英玻璃有限公司，經國家硅材料深加工產品質量監督檢驗中心檢測，本實驗所用石英片紫外光譜透射比為89.5%以上，可見光透光率可達99%以上。

1.2 實驗設計

本實驗選取紅光(波峰為645 nm)、綠光(510 nm)、藍光(445 nm)、UVA(355 nm)以及全光譜(400~800 nm) 5種LED光源，調整輻射照度為60(W/m2)，將深井海水和不同水質條件下養殖水體(凡納濱對蝦)以不同體積注入水環境光傳播測定輔助裝置，分別測量LED光源經過0、10、20、30、60、90、120和150 cm水深后的輻射照度，光源與水面之間的距離控制在5 cm左右(每次實驗前進行充分混勻)。紅光、綠光、藍光和全光譜的輻射照度采用杭州遠方光電信息股份有限公司PLA-20光照分析儀測定，UVA的輻射照度采用深圳市林上科技有限公司LS125多探頭紫外輻照計測定。

1.3 水質指標

為獲得不同水質條件實驗用水，項目組利用深井海水對養殖水體(凡納濱對蝦)進行2倍、3倍和5倍稀釋，并對實驗水體的關鍵水質指標進行測定，包括總氨氮(Total ammonia nitrogen, TAN)、亞硝酸鹽氮(Nitrite, NO2–-N)、化學需氧量(Chemical oxygen demand, COD)和總懸浮物(Total suspended solid, TSS)，其中，TAN測定采用納氏試劑分光光度法(閆修花等, 2004)，NO2–-N測定采用萘乙二胺分光光度法(海洋監測規范GB17378.7-2007)，COD測定采用烘箱加熱高錳酸鉀法(沈加正等, 2011)，TSS測定采用重量法(海洋監測規范GB17378.7-2007)。

圖1 水環境光傳播測定輔助裝置

1.4 數據處理

采用SPSS 24.0軟件進行數據的統計分析，利用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多元回歸分析研究不同光源在深井海水以及養殖水體中的傳播規律。數據結果均以平均值±標準差(Mean±SD)表示，顯著性水平為<0.05。

2 結果

2.1 水質測定結果

實驗所用水體為深井海水以及凡納濱對蝦養殖池水，實驗用水的水色對比見圖2，水質參數見表1。

2.2 不同光源在深井海水中傳播特征

實驗結果顯示，5種不同光譜特征的LED光源在深井海水中的透光率隨水深增加呈降低趨勢，不同光源間變化趨勢存在差異(圖3)。數據分析結果表明，水深可顯著影響5種不同光譜特征的LED光源透光率(0.01)，當水深≤30 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異；當水深>30cm時，不同LED光源在相同水深的透光率無顯著差異(0.05)。當透光水深為10 cm時，綠光透光率最大，為(46.01±4.03)%，其次為紅光[(41.44±3.31)%]、藍光[(36.46±2.30)%]、全光譜[(32.58±3.12)%]，透光能力最弱的為UVA[(26.01±2.53)%]，且不同光源間透光率差異顯著(0.05)。水深在10~30 cm間，輻照度衰減較快；水深>30 cm時，輻射照度衰減緩慢；150 cm水深下，透光率均小于1.5%。實驗所用5種不同光色的光源在水體中的透光率衰減曲線均符合乘冪函數。在深井海水中，隨水深增大，紅光、綠光和藍光的波長范圍基本保持不變(圖4~圖6)；全光譜光源隨水深增大，藍光波長范圍基本保持不變，紅光波長范圍減小，尤其對紅外部分的吸收最為強烈(圖7)。

圖2 實驗用水的水色對比

表1 實驗用水水質參數

Tab.1 Water quality parameters of test water

圖3 不同LED光源在深井海水中的透光率隨水深的變化

2.3 LED光源在不同水質條件下的透光率與水深關聯性

結果顯示，5種不同光譜特征的LED光源在養殖水體中的透光率隨水深增加呈降低趨勢(圖8)。數據分析結果顯示，水深可顯著影響5種LED光源透光率(0.01)，當透光水深≤10 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異(0.05)；水深>10 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率無顯著差異(0.05)。透光水深為10 cm時，紅光透光率最大，為(16.55±2.55)%，其次為全光譜[(10.60± 1.82)%]、綠光[(7.29±2.05)%]、藍光[(4.18±3.41)%]，透光能力最弱的為UVA[(0.84±2.83)%]，且不同光源間透光率差異顯著(0.05)。當透光水深為30 cm，5種光源的透光率均<1%；透光水深為120 cm，5種光源的透光率均為0。

養殖水體稀釋2倍后，LED光源透光率隨水深增加呈降低趨勢(圖9)。數據分析結果顯示，水深可極顯著影響5種LED光源透光率(0.01)，透光水深≤20 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異(0.05)；透光水深為10 cm時，紅光透光率最大，為(20.35±3.80)%，其次為全光譜[(15.89± 2.32)%]、綠光[(14.84±3.46)%]、藍光[(7.01±2.51)%]，透光能力最弱的為UVA[(3.87±1.25)%]；透光水深為60 cm時，5種光源的透光率均<1%。

養殖水體稀釋3倍后，LED光源透光率亦呈隨水深增加呈降低趨勢(圖10)。數據分析結果顯示，水深可極顯著影響5種LED光源的透光率(0.01)，透光水深≤20 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異(0.05)；透光水深為10 cm時，紅光透光率最大，為(25.91±4.53)%，其次為綠光[(20.05±3.43)%]、全光譜[(18.99±2.34)%]、藍光[(15.46±2.90)%]，透光能力最弱的是UVA，為(8.39± 0.09)%；水深為90 cm時，5種光源的透光率均<1%。

圖4 深井海水中不同水深處紅光的光譜曲線

圖5 深井海水中不同水深處綠光的光譜曲線

圖6 深井海水中不同水深處藍光的光譜曲線

圖7 深井海水中不同水深處全光譜的光譜曲線

圖8 不同光源在養殖水體中的透光率隨水深的變化

圖9 不同光源在稀釋2倍養殖水體中的透光率隨水深的變化

圖10 不同光源在稀釋3倍養殖水體中的透光率隨水深的變化

養殖水體稀釋5倍后，LED光源透光率亦呈隨水深增加呈降低趨勢(圖11)。數據分析結果顯示，水深可極顯著影響5種LED光源透光率(0.01)，透光水深小于等于30 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異(0.05)；透光水深為10 cm時，紅光透光率最大[(29.86±3.59)%]，其次為綠光[(29.80±3.12)%]、全光譜[(25.31±3.87)%]、藍光[(23.46±1.72)%]，透光能力最弱的為UVA[(17.14± 2.56)%]；透光水深為90 cm時，5種光源的透光率均小于1%。

圖11 不同光源在稀釋5倍養殖水體中的透光率隨水深的變化

2.4 水深、TSS以及COD對LED光源在養殖水體中衰減效應的影響

在本實驗水質條件下，LED光在養殖水體傳播過程中發生明顯的衰減，多元回歸分析結果顯示，水深是影響LED光在水中衰減的主要因素(<0.01)，其次是TSS和COD，但不同光源在養殖水體中的衰減率受TSS和COD影響的程度不同(圖12)，其中，紅光在養殖水體中的衰減率同TSS及COD含量關聯度較低(>0.05)；藍光、綠光、UVA及全光譜光源在養殖水體中的衰減率同TSS以及COD含量高度相關(< 0.05)，受影響程度為UVA>藍光>綠光>全光譜>紅光。

圖12 LED光源在不同水深、TSS以及COD含量的養殖水體中的衰減率

3 討論

光的本質是一種能量物質，具有波粒二象性，它可以被幾乎任何物質吸收掉。光在絕對真空環境中沿直線傳播且能量不發生衰減，但在水介質中，光存在嚴重的衰減(孫傳東等, 2000)。光在水體中的衰減是由水對光的吸收以及散射作用引起的。在清澈透明的海水中，40%的衰減由吸收引起，60%的衰減由散射作用引起(孫傳東等, 2000)。研究結果表明，水深可顯著影響5種不同光譜特征的LED光源的透光率(0.01)，但當水深>30 cm時，不同LED光源在相同水深的透光率無顯著差異(0.05)；我們推測這主要由于，為滿足養殖需求，項目組選取的光源強度遠低于自然光強，且大部分能量已在起初的30 cm水體中衰減掉了。當透光水深為10 cm時，綠光透光率最大，推測這是綠光在水體中穿透特性和能量屬性綜合作用的結果。水對光的吸收在不同的光譜區域是不同的，具有明顯的選擇性。本研究發現，水對光譜中的紅外部分的吸收最強，對可見光譜波段中的紅色、黃色和淡綠色光譜區段的吸收也十分顯著。

光在不同波段的衰減率主要由水生介質的吸收光譜決定。通常，與海洋水域相比，淡水中的藍光衰減更快，這是由于內陸水域中的懸浮物質更多。在內陸水域中，通常綠光的穿透性更強，其次是紅光。然而，當懸浮物質的濃度很高時，紅光的穿透性可以和綠色一樣快，而且懸浮物質的濃度越高，紅光的穿透性越好(Falkowski, 1987)。本研究結果同樣顯示，在養殖水體中，紅光的穿透性遠遠大于綠光以及藍光，且隨著養殖水體稀釋倍數的增大，紅光的穿透性接近藍光與綠光，這是由于養殖水體中糞便、殘餌等溶蝕，導致海水中懸浮物質增多，進而影響光在水體中的穿透性。

本研究發現，水深是影響LED光源在水體中傳播的主要因素，其次是TSS和COD，但不同光源在養殖水體中受TSS和COD含量的影響程度不同。光在不同水體中的傳播特征差異顯著，一般來說，在熱帶太平洋中的非生產性的海洋水域，水本身是主要的吸收體，藍色和綠色的光的深度和廣度都是相同的，然而，對于紅光來說，水的吸收非常強烈，衰減得更快(Falkowski, 1987)。在生產性上升流海洋水域，由于浮游植物中色素的吸收，藍光比綠光衰減的更多，但仍然不如紅光。在沿海水域，其中含有更多的黃色物質和浮游植物，綠光則更具穿透性。然而，僅在深顏色的沿海水域，由于受到主要河流流量影響，藍光衰減強度與紅光一樣(Falkowski, 1987)。本研究僅針對5種不同波長的光源在純凈海水以及凡納濱對蝦養殖水體中的傳播規律進行研究，為凡納濱對蝦工廠化養殖體系提供相關光照數據，以及為優化室內養殖工廠光環境問題和實現光環境在工廠化養殖模式中的良好應用提供科學參考。

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Analysis of Propagation Characteristics of LED Light Source in Aquaculture Water

ZHANG Yanqing1,3, QIN Fei1,3, FEI Fan1,4, LI Xiaotian1, HUANG Bin1, ZHAO Kuifeng5, LIU Baoliang1,2①

(1. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Key Laboratory of Marine Fish Seed Engineering and Biotechnology, Qingdao 266071; 2. Marine Science and Technology Pilot National Laboratory (Qingdao), Function Laboratory of Marine Fisheries Science and Food Production Processes, Qingdao 266071; 3. Qingdao University of Technology, Qingdao 266033; 4. Dalian Ocean University, Liaoning Provincial Aquatic Facilities Breeding and Equipment, Dalian 116023; 5. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd, Yantai 264000)

Light is an important environmental factor affecting the growth and development of aquatic animals, and its propagation characteristics in aquaculture waters are still unclear. In this experiment, five light emitting diode (LED) light sources were selected: red (peak at 645 nm), green (510 nm), blue (445 nm), UVA (355 nm), and full spectrum (the wavelength of white light emitted by blue light excited silicate phosphor can reach λ400~800 nm). The radiation irradiance was adjusted to 60W/m2, and the propagation law of irradiance was studied under different breeding water quality environments to provide references in order to meet the photobiological requirements of indoor factory aquaculture and the standardization control of aquaculture environment. The experimental results showed that the transmittance of five different LED light sources decreases with the increase in water depth. The variation trends of different light sources were different. When the water depth was 10 cm, the green light showed the largest transmittance (46.01%±4.03%), whereas UVA showed the lowest value (26.01%±2.53%). When the water depth was 150 cm, the light transmittance of all five light sources was less than 1.5%. The attenuation curves of light transmittance in water of five different light colors all agree with power function. The absorption of LED lights by water was discrepant in different spectral regions and has obvious selectivity. Most of the infrared and ultraviolet parts of the spectrum were absorbed by water. The absorption of the red, yellow, and green spectra in the visible spectrum band is also significant. LED light is severely attenuated in aquaculture water, and water depth is the main factor affecting LED light propagation (<0.01), followed by total suspended solids (TSS) and chemical oxygen demand (COD). However, the extent to which different light sources are affected by TSS and COD content in aquaculture water varies. The attenuation of light in water is caused by the absorption and scattering of light by water, and the attenuation rate of light in different wave bands is mainly determined by the absorption spectrum of aquatic media.

Light source; Aquaculture water; Propagation characteristics; Irradiance; Transmittance

Q89

A

2095-9869(2020)01-0153-09

10.19663/j.issn2095-9869.20181015003

* 國家重點研發計劃(2017YFB0404001)資助[This work was supported by the National Key Research and Development Program of China [2017YFB0404001]. 張延青，E-mail: zyq_luck@163.com；秦 菲，E-mail: 15192490720@163.com

劉寶良，副研究員，E-mail: liubl@ysfri.ac.cn

#為共同第一作者

2018-10-15,

2018-11-14

http://www.yykxjz.cn/

張延青, 秦菲, 費凡, 李笑天, 黃濱, 趙奎峰, 劉寶良. LED光源在海水養殖水體中傳播特征解析. 漁業科學進展, 2020, 41(1): 153–161

Zhang YQ, Qin F, Fei F, Li XT, Huang B, Zhao KF, Liu BL. Analysis of propagation characteristics of LED light source in aquaculture water. Progress in Fishery Sciences, 2020, 41(1): 153–161

LIU Baoliang, E-mail: liubl@ysfri.ac.cn

(編輯 馮小花)