張宇雷，單建軍，張瑜霏

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗室，上海 200092)

河鲀魚(Tetraodontidae)營養(yǎng)價值高，鮮嫩無刺，是一種較名貴的優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品，在韓國、日本以及中國北方地區(qū)素有喜食河鲀的風俗[1]。據(jù)統(tǒng)計[2]，2020年中國海、淡水河鲀魚產(chǎn)量達2.68萬t。其中，紅鰭東方鲀(Takifugurubripes)由于較好的生長性能以及較強的抗病能力，是海水河鲀的主養(yǎng)品種之一，在中國北方地區(qū)已經(jīng)形成了一定的養(yǎng)殖規(guī)模，以工廠化和網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主[3-5]。工廠化養(yǎng)殖由于環(huán)境基本封閉，水中溶氧(Dissolved oxygen，DO)的維持主要依靠水交換和人工增氧，因此掌握魚類耗氧規(guī)律是提高養(yǎng)殖產(chǎn)能、保證魚類安全健康生長的必要前提[6]。

國內(nèi)外目前對魚類耗氧的研究側(cè)重在水溫、鹽度、pH以及晝夜節(jié)律等環(huán)境因子對魚類基礎(chǔ)耗氧的影響[7-9]，這些研究一般是在魚類饑餓條件下開展的。然而，對于養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建和運行管理，更重要的是掌握魚類在攝食條件下的耗氧規(guī)律。相關(guān)研究[10]表明，在高密度養(yǎng)殖條件下，由于特殊動力作用(Specific Dynamic Action，SDA)的影響，魚類在攝食后會造成魚池溶氧的大幅度下降。這一現(xiàn)象如果處理不及時，非常容易導致魚類缺氧、產(chǎn)生應(yīng)激甚至死亡。Masser等[11]認為，魚類在消化食物過程中，會通過提高呼吸頻率來提高血液含氧量，導致水體中的溶氧快速下降。Luo等[12]和龐旭等[13]分別針對大口鯰(Silurusmeridionalis)以及雜食性錦鯽(Carassiusauratus)研究了水溫和攝食率對魚類攝食耗氧率峰值和SDA持續(xù)時間的影響。紅鰭東方鲀是中國海水主養(yǎng)經(jīng)濟性魚類品種之一，然而通過資料檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于紅鰭東方鲀攝食耗氧率的相關(guān)研究較少，尚不足以支撐河鲀魚工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建和管理運行的需求。

本研究重點研究紅鰭東方鲀在不同水溫和攝食率條件下的耗氧率，以期為工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建以及智能增氧技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)

耗氧率測試裝置如圖1所示，共4個14 L矩形水箱，頂部用硅膠蓋密封。

圖1 耗氧率測試裝置示意圖

每個水箱頂部設(shè)有單向排氣閥和熒光溶氧傳感器(南京奇崛電子科技有限公司，有效量程0～20 mg/L，測量精度為讀數(shù)的1.5%)，分別用于排出水箱內(nèi)多余氣體以及實時測量溶氧濃度；水箱內(nèi)安裝加熱棒、曝氣頭和排水閥門，分別用于水體加溫、增氧和箱體排水。試驗通過實時監(jiān)測水中的溶氧濃度變化計算紅鰭東方鲀耗氧率等指標。正式試驗時，3個測試裝置水箱用于測試試驗魚耗氧率，另1個作為空白組不放入試驗魚，用于計算自然狀態(tài)下測試裝置內(nèi)的溶氧變化情況。

1.2 試驗對象

試驗所用2齡紅鰭東方鲀(300～330 g)在中國水產(chǎn)科學研究院如東中試基地循環(huán)水系統(tǒng)中馴養(yǎng)8周。馴養(yǎng)系統(tǒng)由直徑1.2 m養(yǎng)殖池、豎流沉淀器、循環(huán)泵、移動床生物濾器、紫外殺菌器以及補光燈、風機等組成。馴養(yǎng)期間，水溫控制在(20±0.5)℃，鹽度23‰，飼料使用5#海童優(yōu)食系列，每天上午09:00和下午18:00投喂2次。養(yǎng)殖用水為消毒過濾后的海水，利用氣石在魚池內(nèi)進行曝氣增氧，溶氧大于7 mg/L。

1.3 試驗設(shè)計

考慮到紅鰭東方鲀在耗氧率測試裝置內(nèi)主動攝食不充分的問題，使用麻醉灌喂法[14]對其進行喂食操作。試驗共設(shè)計1個對照組(完全禁食)、2個水溫試驗組(分別為20 ℃和28 ℃)和4個攝食率試驗組(分別為體質(zhì)量的0%、0.3%、0.6%和1.2%)。其中，攝食率0%試驗組只完成麻醉和插入喂食管的動作而不灌喂飼料，主要用于測試插管動作對于魚類耗氧的影響。

1.4 試驗操作

試驗魚在馴養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)先禁食24 h，然后選取其中體質(zhì)量相近的紅鰭東方鲀[(311±11.22)g，n=3]分別放入3個測試裝置內(nèi)，控制至試驗溫度馴化24 h。試驗開始前稱取適量飼料，研磨至完全呈粉狀，以1∶2比例加水稀釋后注入30 mL塑料注射器(針頭改為口服液吸管)備用。試驗開始，首先將1.5 mL麻醉劑(MS-222)加入1 L海水中攪拌均勻后倒入測試裝置內(nèi)，等待5 min使所有試驗魚完全麻醉。然后，取出試驗魚并將注射器吸管經(jīng)魚口腔插入前腸前端，灌入飼料。然后，排出測試裝置內(nèi)的海水并快速更換等溫新鮮海水。最后將試驗魚放回測試裝置。等試驗魚蘇醒后(不超過5 min)停止曝氣，傳感器開始記錄測試裝置水體中的溶氧濃度，每隔1 min記錄1次，持續(xù)5 min，結(jié)束后重新開啟氣石曝氣。

1.5 數(shù)據(jù)計算與分析

耗氧率按式(1)計算：

O=[(CE0-CE1)×V-(CC0-CC1)×V]/t

(1)

式中：O為試驗魚攝食耗氧率，mg/h；CE0為試驗組試驗開始時的溶氧質(zhì)量濃度，mg/L；CE1為試驗組試驗結(jié)束時的溶氧質(zhì)量濃度，mg/L；CC0為空白組試驗開始時的溶氧質(zhì)量濃度，mg/L；CC1為空白組試驗結(jié)束時的溶氧質(zhì)量濃度，mg/L；V為測試裝置水體體積，14 L；t為試驗時長，0.083 h(5 min)。

為消除由于魚體質(zhì)量差異導致測耗氧率測試誤差，按式(2)將耗氧率換算為標準體質(zhì)量耗氧率[15]：

O′=(1/m)0.75×O

(2)

式中：O′為標準體質(zhì)量耗氧率，mg/h；0.75為換算系數(shù)；m為魚體質(zhì)量，kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 對照組耗氧率

分別在水溫20 ℃和28 ℃條件下測試了紅鰭東方鲀禁食狀態(tài)下的標準體質(zhì)量耗氧率，每個水溫條件重復3次。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 對照組紅鰭東方鲀不同水溫條件下的耗氧率

水溫20 ℃條件下，紅鰭東方鲀?nèi)鞓藴鼠w質(zhì)量耗氧率平均為(70.89±22.21)mg/(kg·h)，其中，日間(7:00-16:00)為(84.56±21.29)mg/(kg·h)，夜間(19:00～04:00)為(57.21±12.61)mg/(kg·h)，晝夜之間沒有顯著差異(P>0.05)。水溫28 ℃條件下紅鰭東方鲀?nèi)鞓藴鼠w質(zhì)量耗氧率平均為(211.49±37.67)mg/(kg·h)，其中，日間為(209.73±38.00)mg/(kg·h)，夜間為(213.26±37.25)mg/(kg·h)，晝夜之間沒有顯著差異(P>0.05)。

2.2 攝食率0%試驗組耗氧率

測試了2個水溫條件下插管動作(僅完成動作，不灌喂飼料)對于紅鰭東方鲀耗氧率的影響，每個水溫條件重復3次，測試時間統(tǒng)一為上午10∶00。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 攝食率0%試驗組紅鰭東方鲀在不同水溫條件下的標準體質(zhì)量耗氧率

20 ℃條件下插管動作前后紅鰭東方鲀標準體質(zhì)量耗氧率未出現(xiàn)明顯波動，全天平均為(58.79±10.25)mg/(kg·h)，與20 ℃對照組無顯著差異(P>0.05)。28 ℃條件下同樣比較平穩(wěn)，全天平均為(193.61±13.86)mg/(kg·h)，略低于28 ℃對照組，但是無顯著性差異(P>0.05)。

2.3 不同水溫和攝食率對紅鰭東方鲀耗氧率的影響

分別在水溫20 ℃和 28 ℃條件下測試了紅鰭東方鲀通過插管灌喂飼料后的標準體質(zhì)量耗氧率變化情況，灌喂時間統(tǒng)一為上午10:00。3個試驗組的攝食率分別為魚體重的0.3%、0.6%和1.2%，攝食率0%組顯示為根據(jù)前文所述試驗數(shù)據(jù)計算獲得的全天平均值。圖4顯示了20 ℃水溫條件下的測試結(jié)果，從中可以看出3個試驗組的標準體質(zhì)量耗氧率均在灌喂飼料后12個h左右達到峰值，1.2%試驗組的峰值相對較低(104.70±3.16)mg/(kg·h)，0.3%和0.6%試驗組峰值比較接近，分別為(116.73±11.55)mg/(kg·h)和(116.02±5.68)mg/(kg·h)，3個試驗組之間沒有顯著性差異(P>0.05)；另外，在標準體質(zhì)量耗氧率到達峰值后2.5～7.5 h，0.3%、0.6%和1.2%試驗組先后回復至0%組水平。

圖4 20 ℃水溫時紅鰭東方鲀在不同攝食率條件下的標準體質(zhì)量耗氧率

圖5顯示的是28 ℃水溫條件下的測試結(jié)果，其中，1.2%試驗組在灌喂飼料后6h最先出現(xiàn)峰值(365.69±35.69)mg/(kg·h)，再經(jīng)過15 h耗氧率回復至0%組水平；其次為0.3%試驗組，峰值出現(xiàn)在灌喂飼料后9 h，又經(jīng)過3個多小時回復至0%組水平；最后是0.6%試驗組，峰值為(314.91±51.17)mg/(kg·h)，出現(xiàn)在灌喂飼料后12 h，3 h后恢復。3個試驗組標準體質(zhì)量耗氧率峰值之間沒有顯著性差異(P>0.05)。

圖5 28 ℃水溫時紅鰭東方鲀在不同攝食率條件下的標準體質(zhì)量耗氧率

3 討論

3.1 水溫對紅鰭東方鲀耗氧的影響

魚禁食狀態(tài)下的耗氧率稱為靜止耗氧率。計算結(jié)果顯示，紅鰭東方鲀在水溫28 ℃時的靜止耗氧率是20℃時的2.98倍，表明其在高溫下的基礎(chǔ)代謝消耗明顯增加，這是魚類應(yīng)對高溫情況時一種比較普遍和典型的生理響應(yīng)[16-17]，類似結(jié)果在其他魚類研究中也被發(fā)現(xiàn)。黃鍵盛等[8]對斜帶石斑魚幼魚的研究結(jié)果為O=6.082 6T-8.970 4。根據(jù)本研究數(shù)據(jù)擬合紅鰭東方鲀禁食狀態(tài)標準體質(zhì)量耗氧率和水溫關(guān)系式為O=17.6T-280.6。導致差別產(chǎn)生的原因，一方面可能是因為試驗僅設(shè)了20 ℃和28 ℃ 2個梯度，數(shù)據(jù)量偏少，擬合結(jié)果存在誤差；另一方面可能是不同品種對水溫的適應(yīng)性存在一定的差異。魚類攝食后的耗氧率峰值是表征魚類消化代謝能力的重要特征之一[18-20]。本研究發(fā)現(xiàn)紅鰭東方鲀在28℃時攝食耗氧率峰值是20 ℃時的2.7～3.5倍，與靜止耗氧率的變化基本一致，即可以通過靜止耗氧率來反應(yīng)攝食耗氧率峰值對水溫變化的響應(yīng)幅度。此外，無論是28 ℃還是20 ℃條件下，紅鰭東方鲀攝食后的耗氧率峰值與靜止耗氧率之間的比例變化不大，始終是在1.7～2倍范圍內(nèi)。該現(xiàn)象和中華鯰(SilurusasotusLinnaeus)在0.5%～2%投喂率下的攝食耗氧規(guī)律相似[21]，可為溶氧的精準控制提供較好的理論依據(jù)。

3.2 攝食率對紅鰭東方鲀耗氧的影響

動物攝食后的代謝通常與食物所含的熱量有關(guān)[22]，其代謝行為和能量消耗的變化幅值是工程應(yīng)用和養(yǎng)殖管理關(guān)注的重點。不同魚類主要通過提高耗氧率峰值、延長SDA持續(xù)時間或者是通過兩者協(xié)同作用來滿足攝食后的能量消耗[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，各攝食率試驗組之間，紅鰭東方鲀耗氧率峰值不存在顯著差異，基本是0%試驗組的1.7～2倍，該情況與大多數(shù)魚類的研究結(jié)論一致[25]；從到達耗氧率峰值的時間來看，在高溫情況下存在著攝食率越高，耗氧率到達峰值所需時間越短的現(xiàn)象，但是該現(xiàn)象在低溫情況下并不明顯；從耗氧率回復時間來看，20 ℃時回復時間為2.5～7.5 h，28 ℃時為3～15 h，存在隨著水溫和攝食率的提高，回復時間明顯增加的趨勢，這一現(xiàn)象和黃鰭金槍魚相似[26]。綜上表明，紅鰭東方鲀主要通過延長耗氧率回復時間來滿足其更高的攝食耗能。

3.3 工程應(yīng)用和研究展望

在工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中增氧系統(tǒng)和工藝設(shè)計的主要依據(jù)之一就是養(yǎng)殖對象呼吸耗氧。Timmons等[27]總結(jié)提出在大西洋鮭等冷水性魚類工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計中，魚類耗氧率可根據(jù)投飼量的0.25倍進行估算。以養(yǎng)殖100 kg大西洋鮭魚為例，日投飼率按1.2%計，所得日耗氧量為0.3 kg/d。根據(jù)本研究所得紅鰭東方鲀在水溫20 ℃，投飼率1.2%時的耗氧率峰值計算，100 kg紅鰭東方鲀的日耗氧量為0.25 kg/d。該結(jié)果與Timmons等[27]的計算結(jié)果比較接近。但是，如以水溫28 ℃時的耗氧率峰值計算，則為0.89 kg/d，數(shù)據(jù)相差較大。分析認為，大西洋鮭屬于冷水性魚類，適宜溫度為10～18 ℃，因此，該估算方法更適合于低溫品種的耗氧率計算。而在暖水性魚類的耗氧率計算時，則必須充分考慮養(yǎng)殖對象本身的攝食耗氧情況。另外，從紅鰭東方鲀的耗氧率變化幅度來看，攝食前后數(shù)據(jù)差別1倍多，在工廠化養(yǎng)殖尤其是高密度封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中采用簡單定量式的增氧工藝，很容易導致資源過度消耗，又或者是系統(tǒng)短時間缺氧。目前有少量關(guān)于魚類生長模型和蝦類耗氧模型的溶氧控制[28-30]，但仍在仿真研究階段，因此，迫切需要開展溶氧精準調(diào)控技術(shù)與裝備的研發(fā)，能夠針對養(yǎng)殖對象耗氧特性和水溫、水質(zhì)等情況實時地對溶氧進行智能化的精準調(diào)控，進一步提高養(yǎng)殖產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本和風險。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)紅鰭東方鲀耗氧率受水溫和攝食率影響顯著，28 ℃時的靜止耗氧率是20 ℃的2.98倍；攝食率對于耗氧率峰值沒有顯著影響，基本是靜止耗氧率的1.7～2倍，但是存在隨水溫和攝食率的提高，耗氧率回復時間增加的趨勢。綜上認為，紅鰭東方鲀主要通過延長耗氧率回復時間來滿足其攝食耗能的需求。本研究能夠為工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)科學管理和運行提供參考，為高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)溶氧精準調(diào)控提供理論依據(jù)，有助于進一步提高養(yǎng)殖產(chǎn)能，提高飼料利用率，降低生產(chǎn)成本。

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