LED光源在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用分析

宋昌斌 仇登高 王軍喜 于凱松 劉 鷹

(1中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083;2中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島 266071;3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4山東東方海洋科技股份有限公司，山東煙臺 264003)

1 引言

封閉循環(huán)清潔水養(yǎng)魚是指集現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)于一體的工廠化、集約化養(yǎng)殖模式。與傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式相比，循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)每單位水產(chǎn)品可以節(jié)約50－100倍的土地和160－2600倍的水，并且?guī)缀醪晃廴经h(huán)境。由于諸多環(huán)境因素限制，水產(chǎn)養(yǎng)殖變成人工控制的可靠食物來源，從1970年在世界范圍得到快速發(fā)展。我國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，2010年養(yǎng)殖總產(chǎn)量達(dá)到3828.84萬噸，占我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的71%，占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的70%以上。2009年3月英國《Nature》發(fā)表文章論述循環(huán)水養(yǎng)殖將是未來漁業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

在自然界，光照作為一種穩(wěn)定性和規(guī)律性生態(tài)因子，對魚類的攝食、代謝、生殖、內(nèi)分泌等生理機(jī)能起著重要的觸發(fā)作用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種波長、大小功率的LED封裝芯片被開發(fā)出來并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，人們逐漸認(rèn)識到LED人工光照作為一種物理手段，不僅可以增加水產(chǎn)養(yǎng)殖生長效率，盡可能得到商品魚的重量，而且可以控制魚類關(guān)鍵時(shí)候的性腺發(fā)育，獲得綠色高品質(zhì)的食品。目前相對于水系統(tǒng)處理、營養(yǎng)餌料、育苗技術(shù)及病害防治研究，光照對魚生理機(jī)能的影響研究比較少而且粗放。國外的研究文章從上世紀(jì)90年代日漸增多，我國的研究處在剛剛起步階段。

LED光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化種植、養(yǎng)殖、微藻繁殖等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，LED可以根據(jù)魚類品種生長性腺發(fā)育所需的光譜光強(qiáng)光周期需求進(jìn)行組合，為商品魚的生長提供合理的光環(huán)境條件，可顯著提高魚的產(chǎn)量和品質(zhì);同時(shí)，LED是安全、健康的“綠色光源”，廢棄后無污染，環(huán)保

節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

如果采用LED光源，存在如何選取適宜魚類生長生殖的光色，光強(qiáng)、光周期最佳優(yōu)化指標(biāo)，確定參數(shù)來改善魚的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育、繁殖性能的技術(shù)體系，以此對養(yǎng)殖業(yè)的LED光照應(yīng)用工作提供參考依據(jù)。

2 目前使用的光源

2.1 傳統(tǒng)光源

目前在封閉循環(huán)清潔水養(yǎng)殖領(lǐng)域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、白熾燈等，這些光源的突出缺點(diǎn)是光效、防水等級低、能耗大、運(yùn)行成本高、光質(zhì)光周期不能調(diào)控等諸多問題。此外，熒光燈的廢棄會嚴(yán)重污染水源，一只節(jié)能燈的燈管平均含有0.5毫克的汞，破碎會至少污染180噸水，由于汞的沸點(diǎn)低，常溫下即可蒸發(fā)，破碎的節(jié)能燈管，瞬間可使車間潮濕空氣中的汞濃度超標(biāo)上百倍。傳統(tǒng)氣體放電光源已經(jīng)不適應(yīng)綠色環(huán)保、節(jié)能減排及優(yōu)化光參數(shù)的要求。

3 魚類眼睛生理

3.1 魚類眼睛結(jié)構(gòu)功能

硬骨魚類有發(fā)達(dá)的眼睛，基本構(gòu)造和高等脊椎動物的眼睛相似，但由于適應(yīng)水中生活使其具有自身的特點(diǎn)。魚類眼球內(nèi)層視網(wǎng)膜由感光視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞組成，大多數(shù)板鰓魚類的視網(wǎng)膜只有視桿細(xì)胞，即許多深海魚類完全沒有視錐細(xì)胞。少數(shù)魚類還有特化的“雙視錐細(xì)胞”。大多數(shù)魚類的瞳孔固定不變，球形水晶體和角膜相距很近，視角非常寬，位于頭部兩側(cè)的魚眼視角在平面是166－170度，在垂直面是150度。

3.2 魚類眼睛視覺能力

魚眼圓形水晶體導(dǎo)致魚類全部是近視眼，明視覺看清晰一米以內(nèi)物體，遠(yuǎn)處不會超過10－12米。

魚類視黃醛與其視蛋白組成的視覺色素吸收光譜為430－620nm，以視黃醛1為基礎(chǔ)形成的視覺色素稱為視紫紅質(zhì)，以視黃醛2為基礎(chǔ)形成的視覺色素稱為視紫質(zhì)。前者吸收光譜范圍為430nm－562nm，后者為570－620nm。如大西洋鮭魚是在海水與淡水之間進(jìn)行洄游的魚類，具有二種視覺色素的混合物，而產(chǎn)卵場的鹽度是決定視覺色素的主要因素，即產(chǎn)卵場在淡水的洄游魚類，以視紫質(zhì)為主;反之，產(chǎn)卵場在海水的洄游魚類以視紫紅質(zhì)為主。某種魚類視覺色素吸收的光譜只占人眼吸收光譜的少量部分，不同波長的光對于吸收的效率與人眼的視覺效率是完全不同的。

4 人工光源的計(jì)量單位

4.1 人工光源的評價(jià)

人工光源在養(yǎng)殖設(shè)施應(yīng)用中需要一個合理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前實(shí)踐中大多都是按照建筑照明的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用按人的視覺效應(yīng)評價(jià)的光照度進(jìn)行度量，單位Lx(勒克斯)，這是在380nm－780nm的可見光范圍內(nèi)，以對人眼視覺效應(yīng)最強(qiáng)555nm波長光為基準(zhǔn)，按人眼的視覺效應(yīng)對不同波長的光區(qū)別計(jì)算進(jìn)行度量的。但光度量范疇的照度光強(qiáng)單位用于工廠化魚類養(yǎng)殖的評價(jià)是不適宜的，評價(jià)光能轉(zhuǎn)化的效用應(yīng)該從魚類生理行為的角度進(jìn)行度量，在我們沒有搞清楚各種魚類對各種不同光色的感光靈敏度大小之前，形成不了魚類的光譜響應(yīng)曲線，即魚類光度系統(tǒng)，所以目前用能量單位描述光輻射能的客觀輻射度量學(xué)為宜。輻射通量又稱輻射功率，是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，單位為W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是輻射能隨時(shí)間的變化率。

4.2 輻射照度與光照度的換算

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)均使用照度計(jì)來測量光照強(qiáng)度，顯示到照度計(jì)表頭的都是光通量單位勒克斯(Lx)，這在單一波長光色情況下可以用光照度單位比較光強(qiáng)大小，如果混合光色做實(shí)驗(yàn)，光照度單位衡量出的大小是不合適的。實(shí)踐中需要輻射通量與光通量的轉(zhuǎn)換公式。實(shí)際上，輻射源所發(fā)射的能量往往由很多波長的單色輻射所組成。為了研究各種波長的輻射能量，還須對單一波長的輻射能量作相應(yīng)的規(guī)定。光譜輻射量又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率。獲取光度系統(tǒng)與輻射度的轉(zhuǎn)化公式會對科研與生產(chǎn)管理提供極大的方便。

輻射通量又稱輻射功率，是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，單位為W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是輻射能隨時(shí)間的變化率。

按人的視覺光譜敏感效率特性視見函數(shù)V(λ)來評價(jià)的輻射通量Φe，即為光通量Φv，

Km—比例系數(shù)，是波長555nm光譜光視效能，為683LmW

λ—波長，米

Φe(λ)—波長為λ的單色光的輻射功率，W。

在可視波長范圍內(nèi)，

Φe(λ):單色光的輻射照度分布密度，單位W/m2

輻射照度與光照度之間的換算:

對于LED，在集中一個波長附近小范圍的可見光)中，V(λ)為一近似不變值，

則:Kev=KmV(λ)單位:lx/(W/m2)

5 水中光輻射照度度量

魚類的攝食是一種對光主動適應(yīng)的內(nèi)源性節(jié)律，不同類型的魚攝食與光照強(qiáng)度都有一定關(guān)系。研究表明在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，魚類最為活躍，攝食率最高。Blaxter研究表明仔魚攝食的臨界光強(qiáng)是0.1lx，最適宜范圍是100－500lx。超過1000lx仔魚明顯出現(xiàn)受驚反應(yīng)，甚至休克而死亡。光照強(qiáng)度對魚的激素分泌活動也有影響。Cook等研究結(jié)果在大于200lx的光照強(qiáng)度下，顯著的影響虹鱒魚血漿中的甲狀腺素的峰值。目前水產(chǎn)車間大多在每個池子上方布一盞燈，或在二排池子中間過道上方布一排燈。建筑設(shè)計(jì)照明光強(qiáng)計(jì)算方法有點(diǎn)光源的距離平方反比定律、線面光源、單位面積容量等照度計(jì)算公式。計(jì)算工具可用照度計(jì)、光譜光合照度計(jì)、DIALux等通用軟件。但要計(jì)算魚池某一深度的輻射照度，或用水下輻射照度計(jì)，或是用下面數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計(jì)算。

光在水中傳輸由于復(fù)雜的吸收與散射伴有強(qiáng)烈的衰減，

LED經(jīng)過幾十年的進(jìn)步，技術(shù)瓶頸不斷突破，性能指標(biāo)迅速提高，尤其是光照輸出功率大，遮光體積小，必將為大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖光照的主力光源。

6 水中光色變化

6.1 光線海水中傳播

研究魚類對那種波長的光譜敏感，就需要知道物種在長期進(jìn)化中適應(yīng)的光環(huán)境。比如長波長的光對寶藍(lán)鯛魚卵巢發(fā)育影響指數(shù)高，這是由于寶藍(lán)鯛魚生長環(huán)境是太平洋礁石淺水區(qū)，所以國外用人工紅光誘發(fā)刺激該種魚生殖內(nèi)分泌激素。

海洋是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物系統(tǒng)，光在海水中傳播非常復(fù)雜。海水的吸收特性與海水的成分密切相關(guān)。海水成分主要包括水分子、無機(jī)溶解質(zhì)及各種懸浮物在內(nèi)的多種有機(jī)物。同時(shí)海水的吸收性還表現(xiàn)為較大的易變性，即同一水域不同深度、不同時(shí)間，其吸收性都隨時(shí)間和空間明顯變化。海水的散射非常復(fù)雜，包括水分子本身的瑞利散射和海水中懸浮粒子引起的米氏散射及透明物質(zhì)折射引起的散射。光在水中傳播過程中，由于吸收和散射，其能量會損失殆盡。散射是水中無數(shù)個雜亂無章的界面對光多次的反射和折射引起的。每個光子的能量是普朗克常數(shù)，v是光子頻率，λ光子波長，c:光速。

基本能量單位只與輻射波的頻率有關(guān)，與頻率成正比，即與波長成反比。所以長波長的光在水中的穿滲透力小于短波長。

圖1 不同波長的光在海水穿透力及水深顏色圖 (圖片選自美國海洋與大氣局網(wǎng)站)Fig.1 Penetration of various light and the water color

從圖1我們看出淺海水色是白－淡綠－綠－藍(lán)綠，深海水色變化大致是:

海洋水深 (米)0－50 50－100 100－150 150－200顏色變化 白－淡藍(lán) 淡藍(lán)－藍(lán) 藍(lán)－深藍(lán) 深藍(lán)－暗藍(lán)

知道隨海水深度變化的光色，對在水產(chǎn)養(yǎng)殖車間設(shè)置何種波長的LED燈具裝置很有參考價(jià)值。海水中可見光色是藍(lán)色占主導(dǎo)地位，制訂研究方案中的光色可以參考養(yǎng)殖對象野生長期活動洄游的水層。

6.2 不同波長LED芯片材料

目前建筑設(shè)計(jì)功能性照明大多數(shù)是由LED藍(lán)光激發(fā)稀土熒光粉產(chǎn)生的白光，而LED工廠化水產(chǎn)業(yè)部分需要的是單色或幾種混色光源，主要需要的是以紅光為代表的長波長芯片，以藍(lán)光為代表的短波長芯片。砷 (As)、磷 (P)系化合物半導(dǎo)體GaAsP、AIGaAs、AIGaInP發(fā)紅、橙與黃光，目前以四元晶體AIGaInP發(fā)紅光效率最高為15～40Lm/W。氮 (N)系化合物InGaN發(fā)綠、藍(lán)光，InGaN發(fā)藍(lán)光效率為10～50Lm/W。

還可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定性好，發(fā)射光譜寬，亮度高的熒光粉配比得到水產(chǎn)養(yǎng)殖所需的多種長短波長光譜。如使用藍(lán)光LED芯片激發(fā)氮化物熒光粉形成紅光LED，得到比紅光LED芯片光譜更寬的紅光。黃色橙色與綠色波長可以用藍(lán)光LED芯片分別激發(fā)YAG鋁酸鹽、硅酸鹽熒光粉得到。

7 光周期調(diào)控

7.1 光周期對魚的影響

光周期調(diào)控在魚的繁殖及生活行為起著重要作用。遼寧海洋水產(chǎn)研究所對牙鲆魚的延長光照時(shí)間及配合提高水溫促進(jìn)親魚提前1－5個月性腺成熟與產(chǎn)卵。Yadav等研究結(jié)果大于16克的金魚在恒黑條件下，其性腺發(fā)育被明顯抑制。鯉魚在性未成熟時(shí)，長光照能誘導(dǎo)排卵，當(dāng)把其從長光照移到短光照條件下，性未成熟魚的卵巢出現(xiàn)退化現(xiàn)象，接近成熟的鯉魚長或短光照沒有此影響。長江大學(xué)阮國良等實(shí)驗(yàn)結(jié)果長光照明顯促進(jìn)黃鱔性腺發(fā)育，同時(shí)對其生長有抑制作用。這些與Bromage等提出的關(guān)于光周期對魚類性成熟的影響假定模型一致的。Witthey等對大西洋鱒的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)代謝率在變化的光周期下比自然光周期的明顯低。這可能由于變化的光周期可能導(dǎo)致大西洋鱒的生理狀態(tài)變到冬季時(shí)刻表。

7.2 光周期調(diào)控手段

通過PWM占空比調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流，改變瞬間關(guān)閉會有效防止魚類的應(yīng)急反應(yīng)，增強(qiáng)福利化養(yǎng)魚效應(yīng)。光周期控制可以光周期是一天范圍內(nèi)的光照亮暗狀態(tài)，均可以自動變化。LED控制技術(shù)已經(jīng)由最初單一恒流控制，發(fā)展到現(xiàn)在的可控硅調(diào)光、PWM調(diào)光、DMX512、DALI、ZigBee等協(xié)議調(diào)光。控制模式也由最早的線控技術(shù)發(fā)展到IR、FR、Wi－Fi短距離無線控制。控制器采用嵌入式結(jié)構(gòu)，可以對光參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通訊，系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

8 光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.1 防水等級

水產(chǎn)養(yǎng)殖車間一般濕度達(dá)到90%以上，對燈具防水要求比較高。一般來說車間懸掛燈具，防護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到IP65，如果為節(jié)能考慮燈具安裝到養(yǎng)殖魚池里面，IP等級至少達(dá)到IP67以上。

中科院半導(dǎo)體研究所與北京勇電歐格照明燈具有限公司共同設(shè)計(jì)提供給中科院海洋所在水池中光照實(shí)驗(yàn)的LED燈具防護(hù)等級達(dá)到最高IP68，這種燈具的制作工藝是設(shè)計(jì)封裝后的LED與其它電子器件焊接后，將驅(qū)動電路或控制電路封裝在聚合物封裝體，一次成型的二次封裝技術(shù)，達(dá)到完全防水保護(hù)作用。

8.2 LED光源配光

水產(chǎn)養(yǎng)殖魚池有幼魚池、成魚池、親魚池等，多為水泥池或玻璃鋼水槽，形狀有圓形、長方形、八角形、長橢圓形、環(huán)道型等。水池面積一般為30－100m2，水深0.5m－1m。LED性能穩(wěn)定、光色分布可調(diào)，但單顆外延芯片功率有限，市場上中、小功率芯片小于0.5瓦，即使大功率芯片也不超過5瓦，所以LED整燈需要或是多顆芯片陣列排布，或是COB規(guī)模集成封裝。傳統(tǒng)光源的反光罩配光方式不一定適合LED光源的發(fā)光方式，更主要的循環(huán)水工廠養(yǎng)魚池形狀大都是規(guī)則幾何形狀，所以LED配光的反光罩與透鏡要配合一起設(shè)計(jì)，采用高折射率的透鏡材料，既要被照水面光斑均勻，又要恰好覆蓋整個魚池以節(jié)約電能。

9 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

9.1 問題的提出

水產(chǎn)光照實(shí)驗(yàn)中，需要同時(shí)考察光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期三因素三水平，最后確認(rèn)哪種因素哪個水平比較重要，以便優(yōu)先考慮加重設(shè)計(jì)。三因素三水平共有33=27次試驗(yàn)。實(shí)際中27次的試驗(yàn)規(guī)模較大，往往因現(xiàn)場條件的限制而難于實(shí)施。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，上述提出的問題用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)只需要9次試驗(yàn)。

9.2 正交試驗(yàn)法應(yīng)用

對試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的變量簡稱為因素，用A、B、C…表示，每個因素可能出的狀態(tài)稱為因素的水平，用1、2、3…表示。正交試驗(yàn) (表)法的特點(diǎn):

(1)均衡分散性－代表性。

(2)整齊可比性－可以用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)結(jié)果處理。

山東東方海洋科技股份有限公司通過與中科院海洋所合作，從挪威引進(jìn)20萬尾大西洋鮭魚苗，并成功地實(shí)現(xiàn)淡水孵化和海水培育。存在主要問題是成魚性腺指數(shù)偏高，商品魚重量少，經(jīng)濟(jì)效益未能最大化。表1是從大西洋鮭魚降海后某一中間階段取得原始數(shù)據(jù)做出的其中一份正交試驗(yàn)表。從表1中清楚得到影響性腺發(fā)育的因素是光周期＞光強(qiáng)＞光質(zhì)，刺激性腺發(fā)育的最優(yōu)光照結(jié)合是24L:OD、中光強(qiáng)、紅光。熟練應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率。

表1 雄性大西洋鮭性成熟率正交試驗(yàn)直觀分析表Table 1 Maturation rate analysis of male Atlantic salmon

(續(xù)表)

10 結(jié)論

封閉循環(huán)清潔水高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖在短時(shí)間獲取巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也要付出因防疫治病使用抗生素藥物帶來水產(chǎn)食品藥物殘留品質(zhì)降低的代價(jià)。用光照等物理方法調(diào)節(jié)魚類生長行為是今后工廠化養(yǎng)殖業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高自身競爭力的可持續(xù)發(fā)展方向。用LED人工光源是一門涉及多學(xué)科，多系統(tǒng)的研究領(lǐng)域。國外傳統(tǒng)光源研究較早，使用LED光源相對較晚。從閱讀過有限文獻(xiàn)的來看，國外研究的方法不全面，不系統(tǒng)，得出的某些結(jié)論甚至相悖。目前國內(nèi)逐漸認(rèn)識到光因子的重要性，起步開始研究。國內(nèi)LED自身的設(shè)計(jì)和制造在使用中還存在許多系統(tǒng)缺陷，如設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、制造工藝不可靠、驅(qū)動電源與芯片壽命不匹配、成本高于氣體放電燈等。因此研制水產(chǎn)專用LED單色或全彩芯片、數(shù)字化調(diào)控技術(shù)，改善封裝技術(shù)、散熱及其防護(hù)技術(shù)與裝備是目前迫切的工作。

光對魚類生理影響非常復(fù)雜，而且與溫度、季節(jié)及水質(zhì)等因子交織一起。本文在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)LED光照方法方面做了基本性的分析，這只是光照調(diào)節(jié)魚類生長生殖行為的一個初步的探索，希望將來與同行共同努力，深入全面研究，使國內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)長期科學(xué)健康的發(fā)展。

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