光照強度對大口黑鱸游泳協作能力的影響

呂義淞 趙 建 文彥慈 杭晟煜 倪偉強 蔡海鶯 葉章穎,

(1.浙江科技學院生物與化學工程學院, 杭州 310023; 2.浙江大學生物系統工程與食品科學學院, 杭州 310058;3.浙江大學海洋研究院, 舟山 316021)

我國是水產養殖大國, 養殖產量占全球總量60%以上, 且已遠超捕撈漁業所提供的水產品產量[1]。就水產養殖而言, 環境調控至關重要, 直接影響水產品的質量和產量, 尤其是在工廠化循環水養殖(Recirculating aquaculture system, RAS)模式下[2—5]。光照是影響魚類生長的重要環境因子, 是RAS中調控的重點, 主要通過光色、光周期和光強作用于養殖對象[6—9]。不同光色對魚類應激水平和生長率等生理指標產生不同的影響, 如: 處于黃光和藍光下短須裂腹魚(Schizthrax wangchiachii)的谷丙轉氨酶含量相對自然光照下較高, 而皮質醇的含量在藍光條件下顯著高于自然光和黃光[10]; 紅光使克氏海葵魚(Amphiprion clarkii)體內的褪黑激素合成酶活力高于其他光色環境, 從而增強了褪黑激素的分泌以及氧化應激反應, 最終起到保護魚體的作用[11]。光周期通過調節魚類的內源性節律, 對養殖魚類的生長、發育和繁殖具有一定影響, 如: 長光周期加快雌性光唇魚(Acrossoeheilus fasciatus)的卵巢發育且提高其血漿褪黑素含量[12]; 在較長光周期(16L∶8D)養殖的黃金鱸(Perca flavescens)總體重凈增量是自然光照下的2.90倍, 且餌料系數相對于自然光照條件下降低54.8%[13]。光照強度的改變則會影響幼魚的成活率以及發育速率。當光照強度較弱時(＜500 lx), 克氏雙鋸魚(Amphiprion clarkii)幼魚的發育速率、成活率與光照強度呈正相關, 當光照強度達到2000 lx時其發育速率顯著下降[14]。類似的現象在褐石斑魚(Epinephelus bruneus)和豹紋鰓棘鱸(Plectropomus leopardus)中也被發現, 當光照強度較弱時(1—500 lx), 隨著光照強度的增強, 其幼魚成活率逐漸增加[15,16]。

光照不僅影響著魚類的生理狀態, 還作用在其行為上。如短須裂腹魚(Schizothorax wangchiachi)容易被黃光、紅光和綠光吸引, 而對藍光選擇逃避,且當其處在22.6—39.5 lx光強范圍內時, 被光照吸引的總尾數與光照強度呈正相關; 當處在50.1—64.7 lx光強范圍內時則為負相關[10]。瓦氏黃顙魚(Pelteobagrus vachelli)對光色不敏感, 但更容易被0—10 lx的光照吸引(該光色區域內的出現次數百分比: 78.33%, 其余光照下分別為10.00%、7.33%和4.33%); 不同光照強度對鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)的吸引沒有顯著性差異, 但藍光更能吸引鰱(該光色區域內的出現次數百分比35.67%, 其余分別為12.67%、30.33%和21.33%)[17]。紅鯽(Carassius auratus)對燈光顏色的喜好順序為黑色＞藍色＞紅色＞綠色＞橙色＞黃色, 且該品種對空間位置優先擇取魚缸的左右兩側[18]。當前光照對魚類行為影響的研究主要集中在對養殖品種個體趨光性(光強和光色)的探究上, 少有關注魚類群體行為, 尤其是其游泳協作能力。

游泳能耗是魚類日常能量支出中的主要部分,最高可達40%[19,20], 在很大程度上影響著養殖效益。魚群內部的游泳協作可使群內個體相對于單獨游泳時的游泳能耗降低(理論上或可高達70%[21]),避免不必要的能量損耗[22,23]。研究表明, 環境因素直接影響著魚類游泳協作能力。Hang等[24]發現在工業化水下噪聲的影響下, 大口黑鱸的群體結構較為松散, 具體表現為相鄰魚之間的角度、距離增大;Paolo等[25]發現低氧狀態時, 為保證個體魚能夠盡可能多地從低氧水體中獲取氧氣, 魚群中個體之間的相對距離增大; Cooper等[26]發現當水溫分布不均勻時, 具有“偏好溫度(Preferred temperatures)”的個體更傾向于停留在其偏愛的溫度區域, 而選擇不跟隨魚群; 流速則會導致魚群的陣型配置發生改變,高流速下的魚群更傾向于采取并排排列的陣型, 而非低流速下的“鉆石(Diamond-shaped)”陣型[23]; 此外, Armstrong等[27]發現暴露在油污中會使魚群中的個體平均移動速度降低及相鄰個體之間的距離增大, 從而削弱了魚群的凝聚力(Cohesion)。然而,光照強度對魚群游泳協作能力的影響還鮮有報道。

大口黑鱸由于經濟價值高, 國內淡水養殖熱門品種, 被譽為繼“四大家魚”后的第五大家魚。本研究以大口黑鱸為研究對象, 探究不同光照強度對循環水養殖下魚類游泳協作能力的影響, 旨在為循環水養殖大口黑鱸光環境調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

大口黑鱸于2022年11月購自杭州唯康農業開發有限公司, 總數為150尾, 購買后置于本實驗室規格為高120 cm×直徑100 cm的循環水圓形池內馴養15d。馴化期間每天上午10: 00以通威商業顆粒飼料飽足投喂1次, 投喂1h后立即清除殘餌和糞便, 日換水量約為馴化水體的25%。水溫控制在(23±1)℃并保持24h不斷曝氣, 水體溶氧水平為(6.2±0.5) mg/L, 光周期為自然光照周期(12L∶12D)。在馴化完畢后選擇個體健康且大小相近大口黑鱸[體重(25±5) g,體長(15±2 cm)]共66條作為實驗對象。

1.2 實驗系統

本實驗系統主要由3部分組成: Brett-type游泳隧道[28]、攝像錄制系統及照明系統。游泳隧道的主要作用是提供一個流速穩定可控的實驗環境, 攝像錄制系統用于視頻數據的錄制、存儲與分析, 照明系統用于提供實驗光源。

游泳隧道(圖1)主要由轉速可控的電機和內、外水槽(材料: 透明亞克力)構成。電機通過頻率控制器改變頻率從而達到對其轉速的精準控制, 電機輸出端為直徑30 cm的螺旋槳, 通過螺旋槳的轉動在內水槽中產生穩定流速的非湍流水體[29], 水體溫度保持在22—24℃, 流速為0.7 BL/s (體長/s)。內水槽(長180 cm×寬80 cm×高40 cm)開設長100 cm×寬30 cm×高30 cm的游泳槽, 游泳槽內水體與實驗對象直接接觸。外水槽(長220 cm×寬110 cm×高40 cm)的主要作用保證內外水槽液面高度一致(不存在壓強差), 從而確保游泳槽內的流速恒定及整個Bretttype游泳隧道的穩定運轉。

圖1 Brett-type游泳隧道結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the Brett-type swimming tunnel

攝像錄制系統主要由相機(BASLER acA2040-90 μm, 分辨率: 2448×680, 幀率: 60 fps)、刻錄系統構成, 相機架設于實驗對象所在游泳槽的中央正上方, 并通過Basler程序進行對焦和錄制畫面的參數調試。

照明系統由紅外補光燈和LED燈構成。紅外補光燈(功率: 90 W, 長22.5 cm×寬18.5 cm×高15 cm。)的作用是給黑暗條件下的實驗環境提供攝像機可見光源, 紅外補光燈架設在高度、角度可靈活調節并鎖止的相機支架上。LED燈管(功率: 0—35W可調, 長118.5 cm×寬2.1 cm×高3.2 cm)通過底部固定、高度相同且角度可調節并鎖止的燈管夾平行架設在實驗對象所處游泳槽正上方, 以保證游泳區域內光照相對勻稱。光照強度檢測通過光照強度測試儀(希瑪AS823)在游泳槽注滿水后由淺至深測量。

1.3 實驗方法

實驗開始前, 先挑選一對體型大小接近的實驗對象放入實驗室內規格為長30 cm×寬35 cm×高45 cm的暫養水箱[水溫(23±1)℃]中饑餓處理48h, 以排空腸內殘余消化物, 避免特殊動力作用對實驗對象耗氧率或游泳能力的影響[30]。

具體操作步驟: (1)設置好實驗燈光(每組魚依次經歷0、300—500、2200—2500和3300—3900 lx的光強環境), 并在禁食處理結束后將兩條魚用抄網輕輕放入游泳槽[每組實驗前將曝氣24h、溫度(23±1)℃溶氧水注入該游泳隧道]。(2)給予實驗對象30min休息時間, 之后通過頻率控制器調整輸出頻率, 控制電機在2min內緩慢提升隧道內流速至0.7 BL/s, 并在該流速下適應5min后通過置于游泳隧道正上方的攝像機拍攝記錄(每個記錄周期: 記錄3min+停止記錄2min, 每組實驗對象共記錄3個周期)。(3)在每種燈光實驗結束后, 將流速在2min內緩緩調節至0, 并關閉燈光以供實驗對象在黑暗中休息30min。(4)在休息結束后, 改變燈光條件重復實驗步驟(1)、(2)、(3)、(4)直至每組大口黑鱸經歷完所有實驗燈光。在本實驗中, 每組實驗結束后重新更換游泳隧道中的水體, 共計有33組實驗對象完成本次實驗。

1.4 數據分析與處理

游泳能耗量化指標魚類在一般流速(＜ 3 BL/s)下的游泳能耗來自有氧代謝產生的能量, 因此耗氧量反映了其游泳時的能量支出[31]。已有研究表明魚類的擺尾頻率與其耗氧量的變化呈正相關[32—34],故本實驗采用matlab計算不同光照強度下大口黑鱸的平均擺尾頻率, 以代表其游泳能耗(圖2)。平均擺尾頻率計算公式[32]如下:

圖2 擺尾頻率量化方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tail beat frequency quantization method

式中,NT為個體魚在穩定游泳時的擺尾周期數,t為穩定擺尾總時間。

游泳協作能力量化在研究魚類行為的相關報道中, 常常采用量化個體魚之間的相對距離和位置情況來評價魚群的整體游泳協作能力[24,29,35]。本次實驗通過matlab計算不同光照強度下兩條魚之間的相對距離與相對位置分布頻率, 并繪制熱度圖[36]。相關計算公式如下:

A.相對距離(歐氏距離)

式中,x1與y1為焦點魚在攝像機俯視鏡頭拍攝得到的二維平面下的橫坐標與縱坐標, 同理x2與y2為鄰近魚的橫坐標與縱坐標。

B.相對位置分布頻率

式中,F1,2,3,4為各個位置下鄰近魚相對焦點魚所處位置的幀數總和(1、2、3和4分別代表前、后、左和右),Ft為總幀數。焦點魚的前、后、左和右的方位劃分方法: 以其頭部為原點建立二維坐標系后每45°、135°、225°和315°為分界線, 每90°作為一塊方位所屬區域。具體劃分示意圖3。

圖3 焦點魚周邊方位示意圖Fig.3 Schematic diagram of the perimeter of the focal fish

C.攻擊次數

由于大口黑鱸具有一定的攻擊性, 且在本次實驗中攻擊行為的出現較為頻繁, 在一定程度上影響了個體間的游泳協作, 因此本研究統計了不同光照強度下魚群攻擊行為(包含追逐、撕咬和威脅)的發生次數, 以促進魚群游泳協作能力的深入分析[37]。

數據統計和分析本研究利用SPSS單因素重復測量方差分析(ANOVA, Repeated measures analysis)對數據進行統計和分析, 并通過最小顯著性差異法(LSD)進行事后檢驗。統計值使用平均值±標準差(mean±SD)表示,P＜0.05表示差異顯著。

2 結果

2.1 不同光照強度下大口黑鱸魚群的游泳能耗

大口黑鱸在光照強度分別為0、300—500、2200—2500和3300—3900 lx下的擺尾頻率分別為(1.73±0.28)、(1.84±0.37)、(2.03±0.38)和(1.98±0.30) Hz (圖4)。結果顯示: 在光強為0時, 魚群的游泳能耗顯著低于其他實驗組(P＜0.05); 而隨著光照強度的增加, 魚群游泳能耗呈現出上升趨勢且各組間差異顯著(P＜0.05), 直到光強上升至3300—3900 lx時魚的游泳能耗相對2200—2500 lx組出現了下降,但差異并不顯著(P＞0.05)。

圖4 不同光照強度下大口黑鱸的擺尾頻率Fig.4 The tail beat frequency of largemouth bass under different light intensity

2.2 不同光照強度下大口黑鱸魚群的游泳協作能力

光照強度對大口黑鱸的相對距離有顯著影響(P＜0.05), 雖然2200—2500 lx組的相對距離與300—500 lx組和3300—3900 lx組無顯著差異(P＞0.05), 但是總體上兩組間的相對距離呈現出隨著光強的增強而增大的趨勢(圖5), 同時在熱度圖中也可觀察到當光強逐步增大時兩魚間距離的擴散變化過程(圖6)。大口黑鱸在光照強度不斷增強的光環境下更傾向于采取前后排列的位置分布(圖5),且該位置分布的出現頻率在各組間存在顯著差異(P＜0.05)。熱度圖(圖6)反映了鄰近魚相對于焦點魚的具體空間位置分布情況。

圖5 大口黑鱸在不同光照強度下的相對距離及出現前后排列的頻率Fig.5 Relative distance and the frequency of front and rear arrangement occurrence of largemouth bass under different light intensity

圖6 相對位置分布熱度圖Fig.6 The heatmap of relative position distribution

2.3 不同光照強度下大口黑鱸魚群攻擊次數

不同光照強度(分別為0、300—500、2200—2500和3300—3900 lx)下大口黑鱸魚群攻擊次數分別為(2.39±0.629)、(3.79±0.76)、(6.73±1.36)和(7.06±1.62)次/180s, 其中, 3300—3900和2200—2500 lx下發生的攻擊次數最高且與0組差異顯著(P＜0.05), 略高于300—500 lx組, 但差異不顯著(P＞0.05)。總體呈現出攻擊次數隨光照的增強而逐步增大。

3 討論

魚群個體間相對距離和空間位置選擇影響著魚群游泳協作能力的表達, 并繼而決定了魚群的游泳能耗[32,38]。魚群個體間的距離和空間位置的選擇由許多因素決定, 如領導力、運動能力及饑餓程度[35,39,40]。本實驗發現在黑暗條件下兩魚相對距離最短且很少采用前后排列(圖5), 這可能是因為在短距離、左右排列的條件下兩魚可更好地利用彼此擺尾時產生的水動力學收益(Hydrodynamic benefits), 從而節省游泳能耗[22,41](圖4)。此外在黑暗條件下, 兩魚間出現的攻擊次數較少(圖7), 在多數情況下采用安靜、平穩的協作式游泳, 這可能是為了減少自身受到捕食的風險并增加生存的機會[42]。

圖7 不同光照強度下的攻擊次數Fig.7 The number of attack under different light intensity

研究發現, 當光照增強時, 兩魚表現為獨立趨光探索、相互追逐的活動增強, 協作游泳較少, 具體體現在個體間的相對距離增大、更多地采取前后分布排列(圖5)及攻擊現象加劇(圖7), 同時伴隨著高游泳能耗(圖4)。這一現象的出現可能是由于光強的增大導致了魚群個體生理應激反應的增強,從而使得個體游泳時的活躍度及耗氧量增強[43]。類似現象也在其他研究中被報道, 如: Schleuter等[44]發現歐亞鱸(Perca fluviatilis)在白天正午時的活躍度與傍晚相比提高了69.3%, 正午時[489 mg O2/(kg·h)]常規代謝率(Routine metabolic rate)相對于傍晚時[220 mg O2/(kg·h)]提升了的1.22倍; 而梅花鱸(Gymnocephalus cernuus)正午時的活躍度相對傍晚時提高了61%, RMR則從176提升到289 mg O2/(kg·h), 約為64%; 正午時大菱鲆(Scophthalmus maximus)的耗氧量[248 mg O2/(kg·h)]顯著高于早晨[162 mg O2/(kg·h)]和傍晚[171 mg O2/(kg·h)][45]。值得一提的是, 本研究中的最大光照強度3300—3900 lx對應的擺尾頻率相較于2200—2500 lx有輕微下降但不明顯(P＞0.05)。一般來說, 對魚類生長無明顯影響的光照強度閾值為600—2000 lx, 當光照過強時, 魚類會展現出游泳疲勞和死亡率上升的現象[46,47], 比如海鱸(Dicentrarchus labrax)、露斯塔野鯪(Labeo rohita)和團頭魴(Megalobrama amblycephala)[47—49], 這可能是本次實驗中最高光強3300—3900 lx下擺尾頻率相對2200—2500 lx組出現不顯著下降的原因。

事實上, 光照的增強還會提高魚群好斗性[37,50],這可能也是制約魚群游泳協作能力表達的重要因素。實驗中觀察到攻擊現象的發生會導致兩魚間相對安靜的平穩游泳狀態被破壞, 主要表現為個體對另一個體的撕咬、追逐及威脅(用嘴輕輕觸碰另一個體的身體), 進而導致兩魚長時間保持較遠的相對距離, 展現出彼此提防、警戒的現象, 同時這也有可能是由于過強的光照會對群體內個體的視覺感知產生干擾, 導致個體難以識別周圍的伙伴或敵人而保持較遠的相對距離[51,52]。此外, 主動發起攻擊的個體更經常地出現在群體前端, 考慮到每條實驗對象都經歷了2d的禁食, 因此主動發起攻擊的個體可能更想通過占據前端獲取優先進食的機會[53,54]。而被攻擊的個體由于受到了頻繁的攻擊,更傾向于躲藏和減少活動, 在本實驗中觀察到被攻擊的個體一般會躲藏在攻擊者的后端, 且試圖依賴水流方向拉開與攻擊者間的距離, 原因可能是為了減少暴露在攻擊者的視野范圍內, 以降低再次被攻擊的可能性。

本研究表明, 當光照強度較低時魚群游泳協作能力較好, 游泳能耗較低。而當光照增強時, 魚群游泳協作能力由于光強刺激、同類間攻擊現象加劇而受到制約, 因此, 在實際生產中大口黑鱸養殖可更多地選擇光強較弱(0—500 lx)的養殖環境, 以避免由于光照過強導致的魚群游泳協作能力下降,降低魚群游泳能耗及攻擊現象的發生頻次, 減少生產養殖成本。