兩種規(guī)格虹鱒胃排空模型和投喂頻率的研究?

黃 銘， 周演根??， 陳薛偉杰， 楊小剛， 高勤峰，2， 董雙林,2

(1．海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室(中國海洋大學(xué))，山東 青島 266003；2．青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實驗室，山東 青島 266237)

虹鱒(Oncorhynchusmykiss)屬于鮭科魚類的一種，是世界上最重要的養(yǎng)殖品種之一[1]，深受中國消費者喜愛。隨著對虹鱒需求量的增加，近年來，我國科技工作者開始在黃海冷水團采用層躍式網(wǎng)箱、養(yǎng)殖工船和智能化全潛式網(wǎng)箱進行大規(guī)格鱒魚的養(yǎng)殖[2]。在魚類的大規(guī)模養(yǎng)殖模式下，合理化投喂頻率是降低飼料成本，提高飼料利用率，促進生長效率的保證[3]。

魚類的胃排空率(Gastric evacuation rate, GER)是指攝食后食物從魚類胃中排出的速率，是研究魚類生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的重要參數(shù)[4]。魚類食欲的恢復(fù)和胃排空率密切相關(guān)[5]，因此，可以利用胃排空率來制定魚類的合理投喂策略[6-7]，該方法尤其適用于采用自動投喂裝置模式的大規(guī)模養(yǎng)殖系統(tǒng)[8-9]。Seymour[10]認為魚類的最佳投喂頻率是其投喂間隔和胃排空率保持一致。過于頻繁地投喂不能提高魚類生長效率，且會導(dǎo)致體脂率的上升[6]。此外，過量投喂會導(dǎo)致魚類飼料利用率下降，增加養(yǎng)殖成本，殘余飼料還會破壞水質(zhì)，造成養(yǎng)殖系統(tǒng)氨氮升高、溶氧降低、pH下降等負面影響[11-14]。

魚類胃含物隨時間呈曲線式下降[15]，胃含物分析是研究魚類胃排空率的常用方法[9]。此外，胃排空時間和魚體規(guī)格具有相關(guān)性，小規(guī)格的魚消化速率更快[5,15]。對不同規(guī)格的魚采用不同的合理投喂頻率可以提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率[6]。但是采用解剖法分析魚類胃含物，需要魚體達到一定規(guī)格才能比較準確地進行測定，若魚體太小則不容易準確稱量胃含物重量(胃含物太少，誤差大)。此外，隨著虹鱒個體的生長，口徑增大，其攝食飼料的粒徑大小也發(fā)生改變。為了避免飼料粒徑的影響，本實驗選擇兩種規(guī)格(30和 100 g左右)虹鱒進行胃排空實驗，建立符合虹鱒胃排空特征最佳數(shù)學(xué)模型?；诖伺袛嗤段购蠛琪V食欲恢復(fù)情況，提出合理化投喂建議，以期為虹鱒智能化投喂系統(tǒng)提供一個數(shù)學(xué)參考模型，為深遠海綠色魚類養(yǎng)殖的早期大規(guī)格苗種培育技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及暫養(yǎng)條件

本實驗在中國海洋大學(xué)海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室的養(yǎng)殖生態(tài)學(xué)實驗室進行，實驗材料為三倍體虹鱒，取自日照萬澤豐漁業(yè)有限公司鮭鱒魚繁育基地(山東日照)。實驗開始前，將虹鱒在圓形水槽(180 L；高0.60 m；上直徑0.65 m；下直徑0.60 m)中暫養(yǎng)2周。期間，于每天08:00和16:00 各飽食投喂商品配合飼料一次(能量(19.12±0.16)kJ/g，蛋白質(zhì)48.36%±1.54%，脂肪13.20%±3.89%，灰分8.19%±0.14%，水分4.33%±0.15%)。每天12:00換水一次，換水量為70%。每天使用YSI專業(yè)水質(zhì)檢測儀(Yellow Spring，Ohio，USA)檢測并記錄水溫、溶解氧、pH等水質(zhì)數(shù)據(jù)。為保證水中溶氧充足，每個水槽用氣泵24 h充氣。實驗期間溶解氧為(8.25±0.33) mg/L，溫度為(16±0.9) ℃，pH為7.88±0.12，氨氮小于0.5 mg/L。

1.2 實驗設(shè)計

本實驗設(shè)置2個不同規(guī)格虹鱒幼魚進行胃排空實驗，其初始重量分別為(32.94±4.21) g(小規(guī)格)和(105.15±9.41) g(大規(guī)格)。每個規(guī)格設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)放20尾魚。實驗期間，水質(zhì)條件和暫養(yǎng)時保持一致。實驗開始前72 h停止投喂，保證其消化道徹底排空。每個規(guī)格隨機選取3尾魚進行解剖，觀察到胃內(nèi)均無飼料殘余。然后用上述商品飼料進行一次飽食投喂，0.5 h后清除殘餌。為減少實驗過程中對魚的應(yīng)激，在虹鱒攝食后0、3、6、12、18、24、36和48 h，依次從6個養(yǎng)殖水槽各取2尾魚解剖取樣(即每個規(guī)格在每個取樣點取6尾魚)。取樣時，用麻醉劑MS-222對魚進行麻醉，然后將虹鱒胃含物取出并稱重(濕重)。隨后將胃含物置于烘箱中60 ℃烘72 h至恒重，然后記錄重量(干重)。計算各個時間點其胃含物含水量及相對胃含物重量。胃含物含水量以平均值±標準差來表示，每個規(guī)格每個取樣點的數(shù)據(jù)皆由6尾魚計算得出。

1.3 數(shù)據(jù)分析及計算方法

胃含物水分=100×(胃含物濕重-胃含物干重)/胃含物濕重。

胃含物相對重量P=W0/W1。式中：W0表示在任一取樣時間時胃內(nèi)容物的重量；W1表示實驗魚飽食狀態(tài)下的總攝食量。

用線性、指數(shù)、平方根和邏輯斯蒂模型分別擬合胃內(nèi)容物的重量[16]。各模型的表達式為：

線性模型：Y=A-B×t；

指數(shù)模型：Y=A×e-B×t；

平方根模型：Y0.5=A-B×t；

邏輯斯蒂模型：Y=A+(C-A)/ [1+ (t/D)E]。

式中：Y為胃含物相對重量；A、B、C、D、E為常數(shù)；B為瞬時排空率(g/h)；t為攝食后時間(h)。

特定胃排空率所需時間計算如下：令Y=(1-特定胃排空率)求t值即可。計算50%、80%和99%胃排空所需時間，分別令Y=0.5、0.2和0.01，求t值即可。

本文采用Microsoft Excel對所有實驗數(shù)據(jù)進行儲存、運算和常規(guī)處理。實驗數(shù)據(jù)用SAS 9.4(SAS Institute Inc., Cary, North Carolina, USA)軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用SNK(Student-Newman-Keuls)多重范圍檢驗組間差異，以P<0.05作為顯著差異水平。采用Origin 2018進行繪圖。通過比較分析各模型的相關(guān)系數(shù)(R2)、殘差標準差(SDR)、殘差平方和(RSS)值，確定不同規(guī)格虹鱒最佳胃排空模型。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同規(guī)格虹鱒胃含物含水量變化

攝食后48 h內(nèi)不同規(guī)格虹鱒胃含物水分變化如圖1所示。兩個規(guī)格虹鱒胃含物水分均在投喂后6 h顯著上升(P<0.05)。小規(guī)格虹鱒胃含物水分在12～48 h呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但各時間點無顯著差異(P>0.05)。大規(guī)格虹鱒胃含物水分在12～36 h內(nèi)保持穩(wěn)定(P>0.05)，在第48小時顯著上升(P<0.05)。

2.2 不同規(guī)格虹鱒的胃排空特征

小規(guī)格虹鱒胃含物排空變化如圖2所示。小規(guī)格虹鱒胃含物相對濕重在投喂后48 h內(nèi)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在第12小時達到峰值；平均胃含物相對濕重在第24小時低于50%，在第48小時趨近于零。小規(guī)格虹鱒胃含物相對干重在投喂后48小時內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，在0～24小時下降最快，24～48小時下降速率減緩；胃含物相對干重在第24小時約為20%(胃含物排空80%)。

大規(guī)格虹鱒胃含物排空變化如圖3。大規(guī)格虹鱒胃含物相對濕重在投喂后0～6 h呈下降趨勢，在第12小時又上升；從12 h開始持續(xù)下降，在第24小時胃含物排空率趨近于50%，在第48小時胃含物相對濕重趨近于零。大規(guī)格虹鱒胃含物相對干重在0～6 h快速下降，在第6小時時平均胃含物相對干重低于60%；在18～48 h下降速率減緩，第48小時趨近于零。

2.3 不同規(guī)格虹鱒胃排空模型的選擇以及排空時間預(yù)測

4種模型對不同規(guī)格虹鱒胃含物變化的擬合情況見表1。根據(jù)R2判斷4種模型對小規(guī)格虹鱒胃含物濕重的擬合程度都不高，其中邏輯斯蒂模型優(yōu)于線性模型和平方根模型，指數(shù)模型擬合最差。小規(guī)格虹鱒胃含物干重變化趨勢無法用邏輯斯蒂模型擬合，線性模型對其擬合度不高。而指數(shù)模型和平方根模型能夠較好地擬合該規(guī)格虹鱒胃含物干重變化，R2高于0.9。其中指數(shù)模型R2最大，RSS和SDR最低，該模型擬合度最高。

圖1 兩種規(guī)格虹鱒胃含物水分變化Fig. 1 The dynamic change of gastric content moisture in rainbow trout with two sizes

圖2 (32.94±4.21) g虹鱒攝食后胃排空變化情況Fig. 2 Gastric evacuation of rainbow trout (32.94±4.21) g after feeding

圖3 (105.15±9.41) g虹鱒攝食后胃排空變化情況Fig. 3 Gastric evacuation of rainbow trout (105.15±9.41) g after feeding

如表1所示，4種模型都能夠較好地擬合大規(guī)格虹鱒胃含物濕重變化趨勢，其中線性模型和邏輯斯蒂模型擬合程度最高，指數(shù)模型和平方根模型次之。其中，線性模型的R2最高。大規(guī)格虹鱒胃含物干重變化無法用邏輯斯蒂模型進行擬合，而線性模型、指數(shù)模型和平方根模型均能較好地擬合該趨勢。其中，平方根模型R2最高，SDR最小，擬合程度最佳。

表1 兩種規(guī)格虹鱒胃排空模型擬合參數(shù)比較Table 1 Comparation of fitting degree parameters of gastric evacuation models of rainbow trout with two sizes

不同規(guī)格虹鱒胃排空時間預(yù)測如表2所示。利用胃含物濕重估算出兩種規(guī)格虹鱒50%胃排空時間約為胃含物干重估算值的2倍。利用胃含物濕重和干重估算出小規(guī)格虹鱒80% 胃排空時間相似，均為20 h左右，但利用胃含物濕重估算出大規(guī)格虹鱒80%胃排空的時間遠高于其胃含物干重估算值，分別為41.10和29.92 h。利用胃含物濕重和干重估算出大規(guī)格虹鱒99%胃排空時間相近。本實驗無法利用邏輯斯蒂模型獲得小規(guī)格虹鱒99%胃排空所需時間。

不論利用胃含物濕重還是干重進行擬合，大規(guī)格虹鱒胃排空50%和80%的時間均高于小規(guī)格虹鱒。但利用胃含物干重估算出的大規(guī)格虹鱒99%胃排空時間約為51.54 h，低于小規(guī)格虹鱒的63.97 h。

3 討論

本實驗發(fā)現(xiàn)，兩個規(guī)格虹鱒胃含物水分均在第3小時顯著上升，然后基本保持不變，這和魚類消化的機理相一致。研究表明飼料進入魚類胃部后其水分增加是消化的主要步驟[17]。魚類胃含物的水分主要來源于三個方面：餌料本身的水分、吞飲的水分和胃分泌的水分[18]。此外，飼料中含有的滲透物質(zhì)會使魚類胃含物相對細胞外液為高滲環(huán)境，從而使水分不斷進入胃部[19]。

魚類胃含物的水分會直接影響到胃排空的模型的建立。本研究發(fā)現(xiàn)，小規(guī)格虹鱒胃含物相對濕重在0～12 h持續(xù)升高，在第12 h達到峰值，同時大規(guī)格虹鱒胃含物相對濕重在前12 h并未出現(xiàn)明顯下降。這是由于虹鱒胃含物所吸收的水分彌補了排空餌料的質(zhì)量損失。利用胃含物的濕重來估算魚類胃排空是一種常見的方法，但由于水分因素，濕重估計結(jié)果一般很差[20]。Hopkins和Larson[21]以及Olson和Boggs[22]等也認為用濕重來估計魚類胃排空率有可能高估胃內(nèi)實際的食物數(shù)量。這和本實驗結(jié)果相一致，本實驗發(fā)現(xiàn)利用胃含物濕重來估算為胃排空時間會比用干重長得多。這是因為胃含物吸收的水分使虹鱒胃內(nèi)食物殘留量被高估了，從而降低了模型的可靠性。此外，本實驗小規(guī)格虹鱒胃含物濕重擬合結(jié)果并不理想，因此，本實驗采用胃含物干重來評估虹鱒胃排空模型。

表2 兩種規(guī)格虹鱒胃排空時間預(yù)測Table 2 Predicted gastric evacuation time of rainbow trout with two sizes

由于魚類食性的差異，其消化道也存在多種類型，因此其胃排空的模型也復(fù)雜多樣[23]。魚類胃排空主要有三種類型：(1)指數(shù)模型，表現(xiàn)為先快后慢，主要多為食浮游生物的小型海洋魚類[24]；(2)線性模型，表現(xiàn)為直線下降，多為肉食性魚類[22-23]；(3)平方根模型，表現(xiàn)為排空速度由慢及快再減慢[17]。已有研究發(fā)現(xiàn)，銀大馬哈魚(Oncorhynchuskisutch)幼魚和褐鱒(Salmotrutt)在攝食時，其胃含物是以指數(shù)方式排空[25-26]，平方根模型也是被用來估計虹鱒的胃排空的一種常用模型[27]。根據(jù)本實驗擬合結(jié)果，指數(shù)模型和平方根模型分別是用來估算小規(guī)格和大規(guī)格虹鱒胃排空(基于胃含物干重)的最佳模型。

本實驗根據(jù)胃含物干重指數(shù)模型擬合公式Y(jié)=0.899e-0.070t計算出小規(guī)格虹鱒50%胃排空所需時間為8.36 h，80%胃排空所需時間為21.43 h；根據(jù)平方根模型Y0.5=0.926-0.016t擬合的結(jié)果計算出大規(guī)格虹鱒50%胃排空需要13.68 h，80%胃排空需要29.92 h。本實驗結(jié)果表明虹鱒規(guī)格越小消化越快，這可能和能量的供應(yīng)有關(guān)。因為研究發(fā)現(xiàn)魚類的代謝速率和體重密切相關(guān)，魚類規(guī)格越小，其代謝速率和生長速率也越快[28-29]，快速的生長和高代謝率需要更多能量的供應(yīng)，而食物是能量的來源，因此小規(guī)格魚的消化速率會快于大規(guī)格魚[15]。然而，根據(jù)胃含物干重指數(shù)模型和平方根模型分別得出小規(guī)格和大規(guī)格虹鱒99%胃排空的時間為63.97和51.54 h，這表明在消化后期大規(guī)格虹鱒具有更快的消化率。相似地，Tekinay等[30]發(fā)現(xiàn)70 g虹鱒胃排空95%大約需要54.3 h，而Tekinay和Guner[27]報道186.2 g虹鱒胃排空95%則需要38.2～42.2 h。這表明不同規(guī)格虹鱒的消化模式不同，小規(guī)格虹鱒在消化前期消化速率較快，80%胃排空后消化速率減慢；而大規(guī)格虹鱒前期消化速率較慢，但后期消化速率快于小規(guī)格虹鱒。

魚類食欲的恢復(fù)與其胃排空程度關(guān)系密切[31]，一般認為當胃內(nèi)殘余物質(zhì)為50%時，魚類食欲恢復(fù)一半；當胃排空率超過80%時，魚類食欲基本得到恢復(fù)；當胃內(nèi)殘余飼料量為零時，魚類食欲完全恢復(fù)[3， 11， 23]。當魚類胃排空80%時進行投喂可以取得較好的結(jié)果，餌料利用率較高[32]。依據(jù)此原則，本實驗小規(guī)格和大規(guī)格虹鱒食欲基本恢復(fù)分別需要21.43和29.92 h。在生產(chǎn)實踐中，我們建議基于飽食投喂模式下應(yīng)對不同規(guī)格的虹鱒采取不同的投喂頻率，小規(guī)格和大規(guī)格虹鱒的投喂間隔應(yīng)分別為20和30 h左右。已有研究表明對同一魚種不同發(fā)育階段采取變化的投喂頻率能夠取得更好的效果，如Lee等[33]基于胃排空實驗提出應(yīng)對6～20 g和25～60 g的韓國石首魚(Sebastesschlegeli)分別采取1次/d和1次/2d的投喂頻率來確保餌料的利用率和魚的快速生長。依據(jù)魚種對餌料需求進行科學(xué)投喂可極大地增加養(yǎng)殖效益，然而以往養(yǎng)殖模式的投喂活動主要依靠人工投喂，這給科學(xué)投喂頻率的執(zhí)行帶來困難。但是隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)智能化、自動化、機械化的發(fā)展，投喂活動逐漸擺脫對人力的依賴，科學(xué)投喂技術(shù)的確定愈發(fā)重要。本實驗所獲得的投喂頻率參數(shù)，可為鮭鱒魚類智能化投喂策略提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

相對于胃含物濕重，利用胃含物干重擬合虹鱒胃排空情況可以取得較好效果，小規(guī)格((32.94±4.21) g)和大規(guī)格((105.15±9.41) g)虹鱒胃排空模式分別符合指數(shù)模型和平方根模型。小規(guī)格虹鱒胃排空速率較大規(guī)格虹鱒更快，其投喂間隔應(yīng)分別為20和30 h左右。