曹正良，王秀秀，李釗丞，沈夢庭，胡慶松，吳迪*

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

對蝦是一種具有較好經(jīng)濟效益的水產(chǎn)養(yǎng)殖種類[1]。南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)因具有抗病性強、生長快和肉質(zhì)鮮美等優(yōu)點，已成為對蝦主要養(yǎng)殖品種之一[2]。提升養(yǎng)殖產(chǎn)量、降低肉飼比是對蝦養(yǎng)殖的重要研究內(nèi)容。目前，在對蝦養(yǎng)殖中，對蝦主要依賴飼料托盤觀察攝食[3]，由于蝦塘水體環(huán)境渾濁復雜，通過人工很難準確掌握對蝦攝食情況，需要使用其他技術(shù)手段加以觀測。

近年來，被動聲學技術(shù)逐漸應用到對蝦養(yǎng)殖的飼料投喂與生長管理中。Silva等[4]研究表明，南美白對蝦攝食時大顎閉合碰撞摩擦會產(chǎn)生聲音，攝食前后聲音信號特征不同[5-6]，因此，可通過對蝦攝食聲音信號特征判斷其攝食及行為狀態(tài)。被動聲學技術(shù)作為一種對生物無干擾監(jiān)測方法，受蝦塘水體環(huán)境影響較少，可應用于包括對蝦在內(nèi)的水中生物的發(fā)聲研究[7-9]。目前，基于被動聲學技術(shù)的自動聲學投餌器已應用于實際生產(chǎn)，有效改善了飼料管理能力，提高了對蝦的養(yǎng)殖效益[10-12]。研究對蝦攝食發(fā)聲信號特征，判斷對蝦攝食情況與行為狀態(tài)[9，13]，了解對蝦的攝食發(fā)聲行為規(guī)律，有助于構(gòu)建科學智能的飼養(yǎng)管理體系，提升對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)量[14-16]。

本研究中，以5種不同體長的南美白對蝦為研究對象，采集南美白對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的聲音信息，通過聲學信號及單因素方差分析，確定5種體長的南美白對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼時發(fā)聲信號的變化規(guī)律及二者差異特征，以期為精細化對蝦養(yǎng)殖及智能投餌機等的應用開發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用蝦選取養(yǎng)殖大池(直徑3.4 m、高1.2 m)中培育的從幼蝦至成蝦5個生長階段(體長2～3、4～5、6～7、8～9、9～10 cm)的南美白對蝦，養(yǎng)殖水體溫度、鹽度、溶解氧和飼料無機鹽均維持在適宜范圍內(nèi)，即24 h持續(xù)通氧，溫度為28 ℃。試驗前，將對蝦放置在與養(yǎng)殖大池水體環(huán)境一致的水箱(44 cm×28 cm×30 cm)中暫養(yǎng)，禁食20 h，確保試驗時對蝦有足夠的攝食欲望。試驗時，隨機挑選一組對蝦(3尾)放入聲學試驗玻璃水箱(44 cm×28 cm×30 cm)，保持與之前一樣的水環(huán)境，分別投喂粒徑為1.2 mm的顆粒飼料及蝦殼，一組體長對蝦試驗結(jié)束后，更換另一組體長對蝦進行試驗。試驗玻璃水箱外表面覆蓋黑色薄膜，同時在地面墊一層泡沫以減少環(huán)境噪聲干擾，每個水箱中均配有一個加熱棒和增氧管(圖1)。

圖1 試驗裝置Fig.1 Equipment of experiment

試驗所用裝置為大疆水下攝像機和聲音采集裝置。聲音采集裝置由帶有儲存卡的SM4型聲音記錄儀和1個HTI-96-Min水聽器組成(圖2)。水聽器可接收帶寬(2 Hz～30 kHz)聲音，可以捕捉到對蝦攝食時的聲音，SM4型聲音記錄儀用于儲存對蝦攝食聲音。南美白對蝦從幼蝦至成蝦的最高攝食發(fā)聲頻率為40～48 kHz，因此，本研究中采樣頻率設置為96 kHz，儲存格式為.wav。

圖2 聲音采集裝置Fig.2 Sound acquisition device

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 采集數(shù)據(jù)時關閉增氧機，開啟與水聽器連接的SM4型聲音記錄儀，將水下攝像機置于相應位置并開啟錄制。等待約5 min對蝦適應環(huán)境后，取15顆粒徑為1.2 mm的顆粒飼料(或蝦殼)潤濕后投入水聽器下方，記錄對蝦攝食時間，攝食后8～10 min時結(jié)束信號采集，之后進入下一組體長對蝦攝食試驗。通過對蝦攝食飼料與蝦殼的音頻與視頻信息對比，確定對蝦攝食信號與行為活動的關系。

1.2.2 發(fā)聲信號特征分析 使用 Matlab R2019b軟件分析對蝦攝食顆粒飼料和蝦殼的音頻信息，挑選有效音頻數(shù)據(jù)對其時間序列信號采用傅里葉變換，分析信號中不同頻率成分及信號特征[5]。離散時間傅里葉變換計算公式[25]為

(1)

式中：n為變換長度；ω為角頻率；X為時域信號x的傅里葉變換(即頻譜)。本文中，信號處理的采樣頻率為96 kHz，增益為20 dB，進行時頻分析時按信號波形總時間的1/50分時窗，并利用Matlab中的Spectrogram 函數(shù)進行時頻圖的繪制。最后確定代表信號特征的各類聲學參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Matlab進行函數(shù)定義，將對應對蝦攝食聲學參數(shù)嵌套入單因素方差分析數(shù)學模型Analysis of Variance中[26]，顯著性水平設為0.05，即

MF58是軸向引線玻璃封裝型，阻值范圍0.1～5000KΩ，體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高，使用溫度范圍-40～+300℃，熱感應快、靈敏度高。

(2)

式中：X為測量值；μ為真值；ε為誤差。

由于使用單因素方差分析時，數(shù)據(jù)需符合正態(tài)分布條件，因此，首先對所得到的5種體長對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼發(fā)聲的最低頻率、最高頻率、峰值頻率及單個脈沖信號時長等4項聲學參數(shù)值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行Lilliefors[27]檢驗，即

(3)

式中：D*為檢驗統(tǒng)計量；F^(x)為平均值為0、標準差為1的正態(tài)分布累積分布函數(shù)；G(x)為經(jīng)驗分布函數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 攝食聲學參數(shù)數(shù)據(jù)的確定

將不同體長對蝦攝食的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后得到其攝食的時頻、波形和頻譜圖。對各組9～10 cm的對蝦觀察采集到的信號發(fā)現(xiàn)，投餌前發(fā)聲信號非常少，投餌后發(fā)聲信號數(shù)量顯著增加(圖3(a))，可以確定為對蝦攝食發(fā)聲信號。選取其中一個波形信號放大觀察(圖3(b))，對蝦單個攝食發(fā)聲信號時長約22 ms，結(jié)合時頻圖和頻譜圖(圖3(c)、(d))，確定對蝦攝食發(fā)聲信號的主要頻率為5～13 kHz，峰值頻率約7 kHz。同時還觀察到，對蝦攝食期間會產(chǎn)生較高的能量(圖3(c))，波形和頻率均有一定起伏變化。采用同樣的方式，對其余4種體長對蝦攝食聲學數(shù)據(jù)進行分析，得到所有體長對蝦的攝食聲學參數(shù)。

圖3 體長9～10 cm對蝦的聲學信號特征Fig.3 Acoustic signals characteristics of the shrimp with body length of 9-10 cm

2.2 體長與對蝦攝食聲學參數(shù)數(shù)據(jù)的方差分析

根據(jù)Lilliefors檢驗結(jié)果(表1)，獲取的所有體長對蝦的4項聲學參數(shù)均滿足正態(tài)分布，因此，可以對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。

表1 Lilliefors檢驗Tab.1 Lilliefors test

對5種體長(2～3、4～5、6～7、8～9、9～10 cm)對蝦攝食同一粒徑顆粒飼料與蝦殼的4項聲學參數(shù)數(shù)據(jù)進行方差分析顯示，對蝦體長均極顯著影響對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的4項聲學參數(shù)(P<0.01)(表2和表3)。

表2 5種體長對蝦攝食顆粒飼料聲學參數(shù)的單因素方差分析Tab.2 Single factor variance analysis of acoustic parameters in the shrimp with 5 body length fed the pellets

表3 5種體長對蝦攝食蝦殼聲學參數(shù)的單因素方差分析Tab.3 Single factor variance analysis of acoustic parameters in the shrimp with 5 body length fed the shrimp shell

2.3 發(fā)聲頻率的變化

2.3.1 峰值頻率變化趨勢 從圖4可見：對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率隨對蝦體長的增加而降低(擬合方程為1/y=0.181 1-0.140 65/x，R=0.999 6)；對蝦體長為2～3 cm時，發(fā)聲峰值頻率最高(約25 kHz)，明顯高于其他體長；對蝦體長為9～10 cm時，發(fā)聲峰值頻率最低(約7 kHz)；對蝦體長從2～3 cm變化至4～5 cm時，發(fā)聲峰值頻率降低較顯著，對蝦體長從4～5 cm變化至9～10 cm時，發(fā)聲峰值頻率變化較小，總體呈緩慢降低趨勢。

對蝦攝食蝦殼的發(fā)聲峰值頻率隨體長增加無明顯變化規(guī)律(擬合方程為y=8.856 4 e0.077 682x，R=0.432 2)；對蝦體長為2～3、8～9、9～10 cm時，發(fā)聲峰值頻率相對較高(分別約13.4、14.8、14.4 kHz)；對蝦體長為4～5、6～7 cm時，發(fā)聲峰值頻率相對較低(約9 kHz)(圖4)。

2.3.2 發(fā)聲頻率范圍變化趨勢 從圖5可見：對蝦攝食顆粒飼料的頻率范圍隨對蝦體長的增加而縮??；發(fā)聲最大頻率隨體長的增加顯著降低(擬合方程為y=11.539 2 e1.361 8/x，R=0.99)；發(fā)聲最小頻率也隨體長的增加而降低(擬合方程為y=3.101 6 e1.412 6/x，R=0.963 7)，體長從4～5 cm變化至9～10 cm時，發(fā)聲最小頻率無明顯變化；對蝦體長為2～3 cm時，發(fā)聲頻率范圍最大(14～44 kHz)，對蝦體長為9～10 cm時，發(fā)聲頻率范圍最小(5～15 kHz)。

從圖6可見：對蝦攝食蝦殼的頻率范圍隨對蝦體長的增加也無明顯變化規(guī)律；發(fā)聲最大頻率在對蝦體長為6～7 cm時最低(約15 kHz)(擬合方程為y=17.671 8 e0.051 959x，R=0.413 8)；發(fā)聲最小頻率隨對蝦體長的增加而增加(擬合方程為y=4.189 2 e0.150 73x，R=0.800 5)；對蝦體長為6～7 cm時，發(fā)聲頻率范圍最小(5～15 kHz)，對蝦體長為4～5、8～9 cm時，頻率范圍最大(5～24 kHz)。

圖6 對蝦攝食蝦殼頻率范圍與對蝦體長的關系Fig.6 Relationship between frequency range of feeding shrimp shell and body length of the shrimp

2.4 單個脈沖信號時長的變化

從圖7可見：對蝦攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長隨體長的增加而增加(擬合方程為y=6.311 1 e0.200 81x，R=0.927 1)；對蝦體長為9～10 cm時，單個脈沖信號時長最長(約18 ms)，明顯長于其他體長；對蝦體長為2～3 cm時，單個脈沖信號時長最短(約7 ms)；對蝦體長從4～5變化至8～9 cm時，單個脈沖信號時長無明顯變化。

圖7 單個脈沖信號時長與對蝦體長變化的關系Fig.7 Relationship between duration of a single pulse signal and body length of the shrimp

對蝦攝食蝦殼的單個脈沖信號時長隨體長的增加而增加(擬合方程為y=16.471 3 e-1.066 5/x，R=0.990 1)，對蝦體長為2～3 cm時，單個脈沖信號時長最短(約6 ms)；對蝦體長為9～10 cm時，單個脈沖信號時長最長(約13 ms)；對蝦體長從6～7 cm變化至9～10 cm時，單個脈沖信號時長隨體長增加略有增加。

2.5 攝食顆粒飼料與蝦殼的聲學參數(shù)對比

不同體長對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的聲學參數(shù)差異明顯。峰值頻率方面，對蝦體長為2～3 cm時，攝食顆粒飼料的峰值頻率較攝食蝦殼時明顯增加，而對蝦體長為8～9、9～10 cm時，攝食顆粒飼料的峰值頻率較攝食蝦殼時明顯降低，對蝦體長為4～5、6～7 cm時，攝食顆粒飼料與攝食蝦殼的峰值頻率差異不大(圖4)。在頻率范圍方面，攝食顆粒飼料的頻率范圍隨對蝦體長的增加呈明顯縮小的趨勢，攝食蝦殼的頻率范圍隨對蝦體長的增加無明顯變化規(guī)律(圖5、圖6)。單個脈沖信號方面，對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的信號時長均隨體長增加而增加，區(qū)別在于小體長對蝦(2～3、4～5 cm)與大體長對蝦(9～10 cm)攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長明顯長于攝食蝦殼的信號時長(圖7)。

3 討論

3.1 對蝦攝食顆粒飼料的發(fā)聲特點

對蝦攝食的咀嚼機制導致了發(fā)聲信號特征的不同，不同體長對蝦大顎咀嚼的咬合力不同，從而影響其攝食過程中產(chǎn)生信號的聲學參數(shù)[21]。小體長對蝦大顎發(fā)育不成熟導致咬合力弱，需要增加單位時間咬合次數(shù)以促進顆粒飼料的物理分解，故出現(xiàn)攝食發(fā)聲頻率高而單次攝食發(fā)聲時間短的特點；隨著對蝦生長，大顎發(fā)育逐漸成熟，咬合力逐漸增強，單位時間內(nèi)顆粒飼料的物理分解速率提高，因此，咬合次數(shù)不斷減少，發(fā)聲頻率降低，而單次咬合時間則增加。本研究中，5種不同體長對蝦攝食顆粒飼料發(fā)聲信號的峰值頻率和頻率范圍均隨對蝦體長的增加而降低，單個脈沖信號時長隨對蝦體長的增加而增加。Soares等[22]研究表明，大、小2種體長的對蝦在平均聲能上存在顯著差異。Silva等[4]研究表明，3種體長(9～10、11～12、13～14 cm)對蝦攝食發(fā)聲信號的4項聲學參數(shù)特征無顯著性差異。由于其試驗對蝦體長均較大，未包含對蝦從小到大的快速生長時期，不足以概括出對蝦攝食聲學信號特征隨體長變化的規(guī)律。Reis等[28]綜述了南美白對蝦攝食發(fā)聲信號在養(yǎng)殖中的應用情況，其中歸納了多篇論文中不同體質(zhì)量(0.04～0.5、10.2、20.5、31.4 g)的對蝦攝食聲學信號特征，表明不同體質(zhì)量對蝦攝食顆粒飼料發(fā)聲信號的峰值頻率、最低頻率和最高頻率有差別，即體質(zhì)量大的對蝦發(fā)聲頻率小，體質(zhì)量小的對蝦發(fā)聲頻率大，但并未考察其變化規(guī)律。另外，國外研究中所用顆粒飼料與中國的顆粒飼料類型不同，因此，根據(jù)中國常用飼料類型及南美白對蝦的生長階段，確定發(fā)聲信號的變化規(guī)律更具有實際應用意義。

此外，不同種類對蝦攝食發(fā)聲信號也有所不同。Berk[29]發(fā)現(xiàn)，白濱對蝦(Litopenaeussetiferus)攝食發(fā)聲信號時長約40 ms，是南美白對蝦攝食時長(18 ms)的2.7倍；Daniel等[7]發(fā)現(xiàn)，斑節(jié)對蝦(Penaeusmonodon)攝食發(fā)聲頻率達到50 kHz，均高于現(xiàn)有相關南美白對蝦攝食發(fā)聲研究結(jié)果。不同種類對蝦攝食時發(fā)聲信號存在明顯的不同特征，主要在于對蝦種類不同、攝食發(fā)聲機制存在差異。中國對蝦養(yǎng)殖種類較多，在某些地區(qū)還會采用混養(yǎng)方式，其他種類對蝦的攝食發(fā)聲信號是否存在規(guī)律，能否反映對蝦生長狀態(tài)有待進一步研究。

3.2 對蝦攝食蝦殼的發(fā)聲信號利用

本研究中，5種不同體長對蝦攝食蝦殼發(fā)聲信號的峰值頻率、頻率范圍與對蝦體長相關，但隨著體長增加并無明顯變化規(guī)律，單個脈沖信號時長則隨著體長的增加而增加，4項聲學參數(shù)特征較對蝦攝食顆粒飼料時明顯不同。曹正良等[20]研究表明，對蝦(體長9～10 cm)攝食沙蠶與不同粒徑顆粒飼料時的聲學特征存在明顯差異，攝食不同粒徑顆粒飼料的頻率為5～45 kHz，峰值頻率為10～17 kHz；攝食沙蠶的頻率為5～20 kHz，峰值頻率為7 kHz。在蝦塘對蝦養(yǎng)殖過程中，為了給對蝦提供更充足的營養(yǎng)，往往在育苗或特殊情況下補充沙蠶等生物餌料，而對蝦生長過程也會出現(xiàn)攝食蝦殼的行為。本研究中，對蝦(9～10 cm)攝食蝦殼的頻率范圍為10～24 kHz，峰值頻率約14 kHz?？梢园l(fā)現(xiàn)，南美白對蝦攝食顆粒飼料、沙蠶和蝦殼時的聲學信號特征存在顯著性差異。差異原因可能是三者質(zhì)地結(jié)構(gòu)不同，沙蠶、蝦殼較顆粒飼料堅硬且不易被水浸泡變軟，會對南美白對蝦攝食沙蠶、蝦殼時步足的抓取及大顎的咬合產(chǎn)生一定影響。對蝦通過蛻殼實現(xiàn)生長，對蝦攝食蝦殼發(fā)聲蘊含著對蝦蛻殼后的生長狀態(tài)，通過研究對蝦攝食蝦殼發(fā)聲信號特征可以了解對蝦蛻殼生長及異常攝食情況，根據(jù)對蝦的生長狀態(tài)可及時更改飼料投喂策略。

3.3 實驗室與蝦塘條件下對蝦攝食情況比較

曹正良等[20]研究表明，蝦塘中檢測出攝食信號大約在投餌后的2 min甚至更長時間，而實驗室大約在投餌后的10 s，差異原因可能與對蝦識別飼料并到達飼料處所需要的時間有關。本研究中，對蝦被放置在空間較小的水箱中，因此，饑餓狀態(tài)的對蝦確定飼料較快，所得到的對蝦攝食發(fā)聲信號頻率與蝦塘具有較高的相似性，蝦塘中對蝦攝食發(fā)聲信號的峰值頻率為5～15 kHz[5]，與本研究中體長為2～3 cm對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率不一致，可能與蝦塘中對蝦體長較大且大小分布不均、存在其他水生生物攝食發(fā)聲等有關。而本研究中單個脈沖信號時長與蝦塘中的結(jié)果存在顯著差異，可能是受到試驗環(huán)境的影響，蝦塘聲音環(huán)境復雜，受多種其他水生生物攝食飼料的聲音影響，同時試驗玻璃水箱存在聲音反射等因素。因此，在后續(xù)蝦塘攝食發(fā)聲試驗中，要更多考慮對蝦攝食蝦塘殘余飼料和其他飼料(魚、蝦等)，以及蝦塘中其他水生生物及群蝦的攝食發(fā)聲。

4 結(jié)論

1)對蝦攝食顆粒飼料時，隨著對蝦體長的增加，攝食發(fā)聲信號的峰值頻率降低，而頻率范圍和單個脈沖信號時長均增加。這些變化呈現(xiàn)一定的線性變化規(guī)律。

2)對蝦攝食蝦殼時，隨著對蝦體長的增加，攝食發(fā)聲信號的峰值頻率呈先降低后上升，頻率范圍呈先增加后降低再增加再降低的波動變化，單個脈沖信號時長則增加。與攝食顆粒飼料相比，這些攝食發(fā)聲信號無明顯的線性變化規(guī)律。

3)體長2～3 cm的對蝦攝食顆粒飼料時峰值頻率(25 kHz)顯著高于攝食蝦殼時的峰值頻率(13 kHz)；體長8～9 cm的對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率(8 kHz)較攝食蝦殼(16 kHz)時明顯降低；體長9～10 cm的對蝦攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長(18 ms)明顯長于攝食蝦殼的信號時長(13 ms)。說明對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的發(fā)聲信號特征明顯不同。