LED光源在海水養(yǎng)殖水體中傳播特征解析*

張延青 秦 菲 費(fèi) 凡 李笑天黃 濱趙奎峰 劉寶良,2①

LED光源在海水養(yǎng)殖水體中傳播特征解析*

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

(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過(guò)程功能實(shí)驗(yàn)室；3. 青島理工大學(xué) 青島 266033；4. 大連海洋大學(xué) 遼寧省水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程技術(shù)研究中心 大連 116023；5. 山東東方海洋科技股份有限公司 煙臺(tái) 264000)

光是影響水生動(dòng)物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要環(huán)境因子，其在養(yǎng)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(lán)光(445 nm)、UVA(355 nm)以及全光譜(藍(lán)光激發(fā)硅酸鹽熒光粉輻射的白光波長(zhǎng)范圍可達(dá)400~800 nm)5種LED光源，調(diào)整輻射照度為60 W/m2，研究其在不同養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境中的傳播規(guī)律，為滿足室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象的光生物學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)控提供參考。結(jié)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(shì)，不同光源間變化趨勢(shì)存在差異。當(dāng)透光水深為10 cm時(shí)，綠光透光率最大，為(46.01±4.03)%，UVA最小，為(26.01±2.53)%；當(dāng)透光水深為150 cm時(shí)，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(shù)。水體對(duì)LED光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇性，水對(duì)光譜中紅外部分的吸收最為強(qiáng)烈，對(duì)可見(jiàn)光譜波段中的紅色、黃色和綠色光譜區(qū)段的吸收也十分顯著；LED光源在養(yǎng)殖水體中衰減嚴(yán)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(xué)需氧量(COD)，但不同光源在養(yǎng)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(duì)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(zhì)的吸收光譜決定。

LED光源；養(yǎng)殖水體；傳播特征；輻射照度；透光率

光環(huán)境是設(shè)施水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中最重要的環(huán)境因素之一，在調(diào)控水生動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育、行為及攝食，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)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(jì)90年代起，在設(shè)施漁業(yè)方面，挪威、蘇格蘭及日本等多國(guó)科技人員圍繞光照影響魚蝦生理機(jī)能的影響研究逐漸增多，但主要針對(duì)傳統(tǒng)光源的補(bǔ)光應(yīng)用研究，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)光譜的精準(zhǔn)化調(diào)控。LED光源具有光電轉(zhuǎn)化效率高、光利用率高、可控性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用空間(任桂萍等, 2016; 楊其長(zhǎng)等, 2011; 石志芳等, 2017)。

近年來(lái)，隨著設(shè)施漁業(yè)的不斷發(fā)展，LED光源在調(diào)控水產(chǎn)動(dòng)物繁殖、生長(zhǎng)及行為等方面的應(yīng)用研究逐步增多。Sierra-Flores等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，與紅光相比，綠光和藍(lán)光對(duì)大西洋鱈魚()和大菱鲆()有促進(jìn)作用，但其在綠光照射下的成活率均最低。Blancovives等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，不同LED光譜對(duì)于塞內(nèi)加爾鰨()仔魚的變態(tài)過(guò)程有顯著的調(diào)控作用。Guo等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，從藍(lán)光到綠光不同光譜區(qū)域的周期性波動(dòng)可以促進(jìn)凡納濱對(duì)蝦()的生長(zhǎng)，并且這種周期性的光色波動(dòng)可以用作對(duì)蝦養(yǎng)殖中的光色調(diào)節(jié)模式。徐華兵等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，水下LED光源可以增加凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖水體中微藻生物量的積累，增強(qiáng)浮游植物群落的穩(wěn)定性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，LED光源對(duì)水質(zhì)的穩(wěn)定也發(fā)揮著積極作用。綜上所述，LED光源對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物具有明顯的調(diào)節(jié)作用，但經(jīng)查閱大量相關(guān)研究報(bào)道，研究人員均采用了定點(diǎn)光源、定量光強(qiáng)和特定光譜，忽略了LED光源在養(yǎng)殖水環(huán)境中的傳播特征。

光在水環(huán)境中傳播的因素影響較多，如水深、懸浮物、有色可溶性有機(jī)物(CDOM)、葉綠素等(馬紹賽, 2012; Christian, 2003)。在開(kāi)放水域中，楊頂田等(2003)研究發(fā)現(xiàn)，近紫外及藍(lán)光在湖波中的衰減受懸浮質(zhì)、葉綠素以及有色可溶性物質(zhì)共同作用；張運(yùn)林等(2004)通過(guò)分析太湖水體表層光學(xué)衰減系數(shù)與透明度、無(wú)機(jī)和有機(jī)顆粒物質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太湖光學(xué)衰減系數(shù)變化的主要影響因子是無(wú)機(jī)及有機(jī)顆粒物；溫少紅(2001)通過(guò)研究光在螺旋藻培養(yǎng)液中的衰減規(guī)律，較好描述了螺旋藻培養(yǎng)液中光照強(qiáng)度、螺旋藻濃度及培養(yǎng)液深度之間的關(guān)系；徐明芳等(2001)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光波長(zhǎng)及光傳播的路徑確定時(shí)，光生物反應(yīng)器中光衰減特征主要受培養(yǎng)物生物量濃度的影響。迄今為止，關(guān)于光源在養(yǎng)殖水環(huán)境中的傳播特征的研究未見(jiàn)報(bào)道。

工廠化養(yǎng)殖具有集約化程度高、可控性強(qiáng)、受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已成為重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式之一(沈明明等, 2017)。相較于池塘、網(wǎng)箱等傳統(tǒng)開(kāi)放式養(yǎng)殖模式，室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖對(duì)自然光線進(jìn)行了隔絕或者阻攔，可控替代光源的開(kāi)發(fā)以及光照策略的構(gòu)建應(yīng)用顯得尤為重要。養(yǎng)殖水環(huán)境中影響LED光源傳播的因素相對(duì)復(fù)雜，LED光源在養(yǎng)殖水環(huán)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(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖車間水體模擬養(yǎng)殖水環(huán)境，通過(guò)研制測(cè)量設(shè)備，利用直接測(cè)量法并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同光譜成分LED光源在養(yǎng)殖水環(huán)境中傳播規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，以期為室內(nèi)工廠化海水養(yǎng)殖動(dòng)物的光生物學(xué)效應(yīng)研究的開(kāi)展和養(yǎng)殖光環(huán)境優(yōu)化策略提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為避免外界光源交叉污染，準(zhǔn)確測(cè)定LED光源在養(yǎng)殖水環(huán)境中傳播特征，項(xiàng)目組研制了水環(huán)境光傳播測(cè)定輔助裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置主要由水位槽和測(cè)定槽兩部分構(gòu)成，其中，水位槽高2238 mm，外徑315 mm，有效水深為2000 mm；測(cè)定槽高200 mm，水位槽和測(cè)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(gòu)自江蘇省東海縣昊天石英玻璃有限公司，經(jīng)國(guó)家硅材料深加工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，本實(shí)驗(yàn)所用石英片紫外光譜透射比為89.5%以上，可見(jiàn)光透光率可達(dá)99%以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取紅光(波峰為645 nm)、綠光(510 nm)、藍(lán)光(445 nm)、UVA(355 nm)以及全光譜(400~800 nm) 5種LED光源，調(diào)整輻射照度為60(W/m2)，將深井海水和不同水質(zhì)條件下養(yǎng)殖水體(凡納濱對(duì)蝦)以不同體積注入水環(huán)境光傳播測(cè)定輔助裝置，分別測(cè)量LED光源經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)前進(jìn)行充分混勻)。紅光、綠光、藍(lán)光和全光譜的輻射照度采用杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司PLA-20光照分析儀測(cè)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(jì)測(cè)定。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)

為獲得不同水質(zhì)條件實(shí)驗(yàn)用水，項(xiàng)目組利用深井海水對(duì)養(yǎng)殖水體(凡納濱對(duì)蝦)進(jìn)行2倍、3倍和5倍稀釋，并對(duì)實(shí)驗(yàn)水體的關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，包括總氨氮(Total ammonia nitrogen, TAN)、亞硝酸鹽氮(Nitrite, NO2–-N)、化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand, COD)和總懸浮物(Total suspended solid, TSS)，其中，TAN測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(閆修花等, 2004)，NO2–-N測(cè)定采用萘乙二胺分光光度法(海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范GB17378.7-2007)，COD測(cè)定采用烘箱加熱高錳酸鉀法(沈加正等, 2011)，TSS測(cè)定采用重量法(海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范GB17378.7-2007)。

圖1 水環(huán)境光傳播測(cè)定輔助裝置

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(yǎng)殖水體中的傳播規(guī)律。數(shù)據(jù)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果

2.1 水質(zhì)測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用水體為深井海水以及凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖池水，實(shí)驗(yàn)用水的水色對(duì)比見(jiàn)圖2，水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 不同光源在深井海水中傳播特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shì)，不同光源間變化趨勢(shì)存在差異(圖3)。數(shù)據(jù)分析結(jié)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(dāng)水深≤30 cm時(shí)，不同LED光源在相同水深的透光率存在顯著差異；當(dāng)水深>30cm時(shí)，不同LED光源在相同水深的透光率無(wú)顯著差異(0.05)。當(dāng)透光水深為10 cm時(shí)，綠光透光率最大，為(46.01±4.03)%，其次為紅光[(41.44±3.31)%]、藍(lán)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(shí)，輻射照度衰減緩慢；150 cm水深下，透光率均小于1.5%。實(shí)驗(yàn)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(shù)。在深井海水中，隨水深增大，紅光、綠光和藍(lán)光的波長(zhǎng)范圍基本保持不變(圖4~圖6)；全光譜光源隨水深增大，藍(lán)光波長(zhǎng)范圍基本保持不變，紅光波長(zhǎng)范圍減小，尤其對(duì)紅外部分的吸收最為強(qiáng)烈(圖7)。

圖2 實(shí)驗(yàn)用水的水色對(duì)比

表1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)參數(shù)

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(zhì)條件下的透光率與水深關(guān)聯(lián)性

結(jié)果顯示，5種不同光譜特征的LED光源在養(yǎng)殖水體中的透光率隨水深增加呈降低趨勢(shì)(圖8)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，水深可顯著影響5種LED光源透光率(0.01)，當(dāng)透光水深≤10 cm時(shí)，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(shí)，不同LED光源在相同水深的透光率無(wú)顯著差異(0.05)。透光水深為10 cm時(shí)，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(lán)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(dāng)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(yǎng)殖水體稀釋2倍后，LED光源透光率隨水深增加呈降低趨勢(shì)(圖9)。數(shù)據(jù)分析結(jié)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(shí)，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(shí)，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(lán)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(shí)，5種光源的透光率均<1%。

養(yǎng)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(shì)(圖10)。數(shù)據(jù)分析結(jié)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(shí)，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(shí)，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(lán)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(shí)，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(lán)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)殖水體中的透光率隨水深的變化

養(yǎng)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(shì)(圖11)。數(shù)據(jù)分析結(jié)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(shí)，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(shí)，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(lán)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(shí)，5種光源的透光率均小于1%。

圖11 不同光源在稀釋5倍養(yǎng)殖水體中的透光率隨水深的變化

2.4 水深、TSS以及COD對(duì)LED光源在養(yǎng)殖水體中衰減效應(yīng)的影響

在本實(shí)驗(yàn)水質(zhì)條件下，LED光在養(yǎng)殖水體傳播過(guò)程中發(fā)生明顯的衰減，多元回歸分析結(jié)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(yǎng)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(yǎng)殖水體中的衰減率同TSS及COD含量關(guān)聯(lián)度較低(>0.05)；藍(lán)光、綠光、UVA及全光譜光源在養(yǎng)殖水體中的衰減率同TSS以及COD含量高度相關(guān)(< 0.05)，受影響程度為UVA>藍(lán)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(yǎng)殖水體中的衰減率

3 討論

光的本質(zhì)是一種能量物質(zhì)，具有波粒二象性，它可以被幾乎任何物質(zhì)吸收掉。光在絕對(duì)真空環(huán)境中沿直線傳播且能量不發(fā)生衰減，但在水介質(zhì)中，光存在嚴(yán)重的衰減(孫傳東等, 2000)。光在水體中的衰減是由水對(duì)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(jié)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(dāng)水深>30 cm時(shí)，不同LED光源在相同水深的透光率無(wú)顯著差異(0.05)；我們推測(cè)這主要由于，為滿足養(yǎng)殖需求，項(xiàng)目組選取的光源強(qiáng)度遠(yuǎn)低于自然光強(qiáng)，且大部分能量已在起初的30 cm水體中衰減掉了。當(dāng)透光水深為10 cm時(shí)，綠光透光率最大，推測(cè)這是綠光在水體中穿透特性和能量屬性綜合作用的結(jié)果。水對(duì)光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇性。本研究發(fā)現(xiàn)，水對(duì)光譜中的紅外部分的吸收最強(qiáng)，對(duì)可見(jiàn)光譜波段中的紅色、黃色和淡綠色光譜區(qū)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(zhì)的吸收光譜決定。通常，與海洋水域相比，淡水中的藍(lán)光衰減更快，這是由于內(nèi)陸水域中的懸浮物質(zhì)更多。在內(nèi)陸水域中，通常綠光的穿透性更強(qiáng)，其次是紅光。然而，當(dāng)懸浮物質(zhì)的濃度很高時(shí)，紅光的穿透性可以和綠色一樣快，而且懸浮物質(zhì)的濃度越高，紅光的穿透性越好(Falkowski, 1987)。本研究結(jié)果同樣顯示，在養(yǎng)殖水體中，紅光的穿透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠光以及藍(lán)光，且隨著養(yǎng)殖水體稀釋倍數(shù)的增大，紅光的穿透性接近藍(lán)光與綠光，這是由于養(yǎng)殖水體中糞便、殘餌等溶蝕，導(dǎo)致海水中懸浮物質(zhì)增多，進(jìn)而影響光在水體中的穿透性。

本研究發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)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(lái)說(shuō)，在熱帶太平洋中的非生產(chǎn)性的海洋水域，水本身是主要的吸收體，藍(lán)色和綠色的光的深度和廣度都是相同的，然而，對(duì)于紅光來(lái)說(shuō)，水的吸收非常強(qiáng)烈，衰減得更快(Falkowski, 1987)。在生產(chǎn)性上升流海洋水域，由于浮游植物中色素的吸收，藍(lán)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(zhì)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(lán)光衰減強(qiáng)度與紅光一樣(Falkowski, 1987)。本研究?jī)H針對(duì)5種不同波長(zhǎng)的光源在純凈海水以及凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖水體中的傳播規(guī)律進(jìn)行研究，為凡納濱對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖體系提供相關(guān)光照數(shù)據(jù)，以及為優(yōu)化室內(nèi)養(yǎng)殖工廠光環(huán)境問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)光環(huán)境在工廠化養(yǎng)殖模式中的良好應(yīng)用提供科學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(fèi)凡, 李笑天, 黃濱, 趙奎峰, 劉寶良. LED光源在海水養(yǎng)殖水體中傳播特征解析. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)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)