基于主成分分析的吸魚泵對魚類損傷評價方法

單建軍，管崇武，宋紅橋，劉世晶，洪 揚，莊保陸

（中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092）

0 引言

2019年，中國水產(chǎn)品總量達到6480.36萬t[1]，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，在魚類的換池、分級、放養(yǎng)、起捕等過程中，活魚的捕撈成為重要環(huán)節(jié)[2]。吸魚泵具有機械化程度高、起魚效率高、勞動強度低、操作人員少等優(yōu)點成為解決問題的關鍵[2-3]。降低魚體損傷率是國內(nèi)外關于吸魚泵的研究重點之一[2]。劉平等[4]對離心式吸魚泵的葉輪結構采用CFturbo進行優(yōu)化設計；徐茂森等[5]對射流式吸魚泵的喉管與噴嘴截面積比進行優(yōu)化；加拿大CanaVac公司采用特種閥門防止魚體體表損傷[6]；美國ETI公司采用柔性吸口和出口進行無損吸捕[7]；挪威MMC Tendos公司通過一種壓差的形式替代了傳統(tǒng)斗式泵以避免魚被葉片刮傷[8]，諸多研究主要從泵體結構和操作方式等方面進行優(yōu)化，但尚無學者開展吸魚泵損傷綜合評價方面的研究。目前關于損傷評價方面主要采用單指標分析法，Long等[9]研究了射流式吸魚泵對鯽魚的魚鰾破損率和肝臟損傷情況進行分析；徐茂森等[10-11]研究了射流式吸魚泵對草魚的呼吸頻率和部分血液指標的影響，吳寧等[12]研究了射流式吸魚泵對草魚的應激脅迫和組織損傷。單指標分析法屬于確定性方法，具有操作比較簡便，是各種綜合評價方法的根本，但評價結果偏于概況，僅反映最差因子狀況[13]。吸魚泵對魚損傷影響因素比較多，損傷指標的評價上也存在許多不確定因素。有采用肉眼觀察[14]、測量尺檢測及圖像攝影技術[15]等方式進行體表損傷評價，有采用解剖鏡檢法和抽血檢測血液指標進行內(nèi)部臟器損傷評價，對損傷指標的選擇存在一定程度的隨意性，也存在一定的冗余問題。因此，需要建立一種綜合的損傷評價模型，對指標進行客觀篩選。主成分分析法是一種同時對多變量進行降維、簡化、定量分析的方法[16]，本研究將在前人的研究基礎上，采用此方法對吸魚泵的損傷進行相對客觀的評價，依據(jù)評價因子的貢獻率進行賦值分析，避免了主觀性。

本研究為了提高吸魚泵對魚損傷評價的客觀性和公正性，采用主成分分析法對損傷指標進行綜合分析，建立損傷綜合評價模型，并以鯽魚(Carassius auratus)為例，選用單罐真空吸魚泵進行鯽魚的吸捕試驗，驗證模型的準確性，為后續(xù)的真空式吸魚泵研發(fā)和損傷評價奠定良好基礎。

1 材料與方法

1.1 損傷評價綜合模型構建

魚類在經(jīng)過吸魚泵時可能會受到機械損傷和壓力損傷，可能會導致鱗片脫落、鰭條受損、魚鰾破裂、肝臟腎臟受損、魚游動平衡破壞等后果[10]。這些損傷表征現(xiàn)象相互獨立但又互有聯(lián)系，需要采用數(shù)學分析結合每種測定方法，才能確切反映其真實損傷情況。目前，對損傷情況通常采用單指標分析法，逐一對比每個指標的高低，這種方式雖然比較簡單明了，但不能充分反映出吸魚泵對魚的綜合損傷情況。近幾年主成分分析法作為一種多元統(tǒng)計分析方法，在水體富營養(yǎng)化分析評價[17-18]、養(yǎng)殖品種品質(zhì)評價[19]方面獲得了一些成果，為了客觀評價吸魚泵對魚的損傷情況，揭示不同損傷指標在整體損傷評價中影響大小，采用主成分分析法構建損傷綜合評價模型。

主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)就是一種利用降維思想，通過對原始數(shù)據(jù)變量相關系數(shù)矩陣或協(xié)方差矩陣相關關系的研究，從眾多原始變量中找出幾個綜合性強的變量來替代原始變量，新的綜合變量之間不僅互不相關，而且保留了原始變量的絕大部分信息，最終實現(xiàn)降維目的，使問題得到最佳綜合[20]。參照黃鸞玉等[16-17]描述方法，按主成分分析法步驟，計算推導出損傷評價主成分的表達式，其計算方法見公式(1)。

式中，F(xiàn)i為第i個主成分的損傷評價得分；ai1、ai2、…、aip為前i個特征根對應的特征向量；X1、X2、…、Xp為預處理后各損傷評價指標的樣本向量。

利用方差貢獻率為權重，對i個主成分得分進行加權綜合，取得損傷綜合評價表達式，其計算方法見公式(2)。

式中，F(xiàn)為綜合損傷評價得分；λ1、λ2、…、λi為第 1、2、…、i個主成分的方差；F1、F2、…、Fi為第1、2、…、i個主成分的損傷評價得分。

通過公式(2)建立一個關于吸魚泵損傷綜合評價模型，將試驗取得原始數(shù)據(jù)按上述方法應用統(tǒng)計分析軟件SPSS計算分析，可得到損傷綜合主成分值F，根據(jù)F值大小進行損傷程度綜合對比排序。

1.2 真空式吸魚泵損傷試驗的試驗用魚和試驗裝置

選用鯽魚為試驗對象，取自中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所漁業(yè)裝備與工程中試基地，選用體質(zhì)健壯、活力旺盛的魚苗進行，試驗用魚體長為(18.03±1.38)cm、體質(zhì)量為(144.40±34.71)g。將魚分別放置在4個水體約2 m3的玻璃鋼魚池暫養(yǎng)3天，每個魚池平均放置40尾魚，暫養(yǎng)期內(nèi)不投喂，保持連續(xù)充氣和水體循環(huán)，溶氧保持在7.0～7.5 mg/L，溫度保持在23～24℃。

選用單罐真空吸魚泵進行試驗，該吸魚泵的罐體直徑600 mm，長1100 mm，單次可吸魚水混合物0.3 m3，如圖1所示。罐體的出口端裝有一個拍門，該拍門外側(cè)為不銹鋼板，內(nèi)側(cè)夾有一層硅膠墊。當吸魚泵處于吸氣工況時，拍門在大氣壓以及罐體負壓的作用下緊貼罐體的出口，以保證罐體的密封。當進行排水工況時，拍門打開，魚水在罐體出口流出。

圖1 單罐真空吸魚泵模型

1.3 真空式吸魚泵損傷試驗的試驗設計和試驗方法

根據(jù)表1，將各試驗組對應魚池內(nèi)的魚短時間內(nèi)將魚池內(nèi)的魚重復抽吸不同次數(shù)，達到設置3組不同程度魚的損傷效果以進行試驗對比。在開始試驗時魚池內(nèi)用圍網(wǎng)將魚固定在相對較小的空間內(nèi)，在按試驗設計用泵將魚重復抽吸數(shù)次后，按要求挑選6尾魚進行拍照計算體表損傷程度，然后抽血進行相關生理指標檢測；對照組則不經(jīng)過吸魚泵，在魚池里隨機撈取6尾魚進行拍照和抽血檢測；剩余的魚分別放置于分隔好的魚池內(nèi)，觀察魚在池內(nèi)活動狀態(tài)和1天后的存活率。

表1 試驗分組條件

在試驗后根據(jù)表1選取不同損傷程度的魚，將魚放入含有丁香酚（2-甲氧-4-丙烯基酚）的水中，待魚麻醉后取出在魚尾靜脈處取血，采用上海源葉生物科技有限公司的紅細胞稀釋液和白細胞稀釋液進行紅細胞和白細胞計數(shù)；將血液離心后取血清，采用南京建成生物研究所的試劑盒檢測SOD活力、ALT活力和Cr含量。

除了上述血液指標外，還對魚體表鱗片脫落、碰傷撞傷等情況進行統(tǒng)計，通過將麻醉后的魚放置在手機固定支架上，固定位置和放大倍數(shù)進行拍照，拍照后通過魚類損傷面積計數(shù)軟件進行魚體表面積統(tǒng)計和損傷面積統(tǒng)計，魚體表損傷面積比以損傷面積與體表總面積的比值計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差(Mean±SD)表示，組間比較采用單因素方差分析和LSD檢驗，以P＜0.05為差異顯著，使用Excel軟件應用統(tǒng)計分析軟件SPSS 20.0進行主成分分析及數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 損傷指標變化情況

各試驗組和對照組關于損傷指標的檢測結果如表2所示，A組魚的體表損傷率與對照組無顯著差異，C組顯著高于其他組，表明短時重復進入吸魚泵對魚的體表有較明顯損傷情況發(fā)生。各試驗組和對照組在試驗后暫養(yǎng)24 h后，無死魚情況發(fā)生存活率為100%，且在暫養(yǎng)期未發(fā)現(xiàn)魚有異常游動狀態(tài)，并在暫養(yǎng)時間達到后進行魚體解剖，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的魚鰾破裂和內(nèi)臟受損情況。

表2 試驗組和對照組的損傷指標變化情況

紅細胞數(shù)和白細胞數(shù)各試驗組與對照組無顯著差異，但隨著重復進入吸魚泵次數(shù)的增加，魚血液中白細胞顯明顯上升趨勢，白細胞是魚類體內(nèi)一種能吞噬異物、具有免疫和自我保護能力的物質(zhì)，C組顯著高于A組，表明多次抽吸造成對魚有應激影響，導致白細胞數(shù)量快速增多。SOD活力反映魚體內(nèi)自由基含量與其對組織的損害程度，ALT活力和Cr含量分別是表征肝臟損傷和腎臟損傷的指標，在本試驗中，3個指標在3個試驗組間均無顯著差異，表明真空泵吸魚泵的吸抽對于魚的內(nèi)臟無明顯損傷影響。

2.2 損傷的主成分分析和綜合評價

從體表損傷、肝臟損傷、腎臟損傷、應激響應等幾個方面出發(fā)，選用體表損傷面積比、紅細胞計數(shù)、白細胞計數(shù)、SOD活力、ALT活力、Cr含量6個關于魚體損傷的指標，采用主成分分析法進行損傷主影響因子選擇及分類。首先通過KMO檢驗和Bartlett球形檢驗可做因子分析，提取特征值≥1的3個主成分，即k值為3，其特征值分別為2.080、1.527、1.087，各個主成分的方差貢獻率分別為34.659%、25.451%和18.122%，累積方差貢獻率是78.232%（表3）。

表3 解決的總方差

每個主成分都可以由體表損傷面積比、紅細胞計數(shù)、白細胞計數(shù)、SOD活力、ALT活力、Cr含量這6個指標的線性組合構成一個固定的表達式來體現(xiàn)，且每個主成分只有少數(shù)幾個指標的載荷量較大，載荷量越大的指標，與主成分的相關性越強。從表4可以看出，第一主成分F1的貢獻率為34.659%，體表損傷面積比和白細胞數(shù)的載荷量均在0.840以上，說明第一主成分與這2個指標有著很強的相關性；第二主成分F2的貢獻率為25.451%，ALT活力和SOD活力的載荷量在0.699以上，說明第二主成分主要反映這2個指標的信息；第三主成分F3的貢獻率為18.122%，與其關聯(lián)的主要是肌酐含量。將表4的成分矩陣數(shù)值除以相應特征根的開方根，求出主成分的系數(shù)矩陣。系數(shù)矩陣每一列代表一個特征向量，作為預處理后的變量線性組合的系數(shù)。根據(jù)公式(1)可得到各主成分的表達式：

表4 主成分載荷矩陣

F1=0.618X1-0.298X2+0.583X3+0.167X4-0.055X5-0.399X6

F2=0.015X1+0.495X2-0.116X3+0.565X4-0.620X5-0.193X6

F3=0.026X1+0.353X2+0.418X3+0.464X4+0.466X5+0.518X6

根據(jù)公式(2)，結合上式計算取得關于損傷的主成分綜合模型：F=0.443F1+0.325F2+0.232F3，即F=0.285X1+0.111X2+0.316X3+0.366X4-0.118X5+0.234X6。

根據(jù)主成分綜合模型即可計算綜合主成分值，并對其按綜合主成分值進行排序，即可對各試驗組魚的損傷情況進行評價，綜合得分越高則損傷程度越高，結果見表5。從表5可以看出C組的損傷情況最嚴重，這與原試驗設計的要求結果相符。

表5 綜合得分及排序

3 討論

3.1 主成分分析法的應用

在解決實際問題和研究中，經(jīng)常會對研究對象盡可能收集更多的信息，以期對問題有一個全面綜合的認識，但是由于理論發(fā)展和應用技術的限制，過多變量無法在處理和分析中發(fā)揮作用，大量信息反而成了分析和解決問題的障礙，為解決這一問題應采用主成分分析[21]。隨著漁業(yè)技術研究和應用的發(fā)展和深入，主成分分析法在漁業(yè)研究和應用中占有一定地位[22]。已經(jīng)有多位學者應用該方法進行養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)[23]、底質(zhì)改良機運行效果[24]等方面進行綜合評價，取得不錯的應用效果。在傳統(tǒng)吸魚泵的損傷評價中通常采用單指標分析法，即逐一對比每個指標的高低，分析過程簡單，但僅考慮評價對象單個指標含量的變化，不能充分反映其綜合指標的變化情況[16]。在本研究中，采用主成分分析法篩選影響損傷評價的重要因子，從魚體體表損傷面積比、內(nèi)部臟器損傷評價指標、生理應激反應指標等方面展開吸魚泵對魚體的損傷情況評價研究，利用各指標間的相關關系，去除重疊信息，在確保原始指標信息量丟失最小的原則下，將原始指標縮減成簡化成3個反映原始指標大部分信息的主成分綜合因子，這3個主成分綜合因子累計貢獻率達到78.232%，可以代表原始損傷指標的大部分信息，綜合得分也很好的反應了損傷評價的排序等級。表明主成分分析法作為吸魚泵對魚的損傷評價方法是可行的，既避免主觀因素的影響，又提高了數(shù)據(jù)分析效率。

3.2 吸魚泵的損傷評價及損傷指標的選擇

吸魚泵的種類繁多，真空式吸魚泵是吸魚設備中較為理想的一種設備[25]，其基本原理是通過運用罐體內(nèi)的負壓環(huán)境對魚體進行抽吸，但若控制不好負壓將還是會對魚體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷[2]。開發(fā)出結構、性能優(yōu)異的吸魚泵以提高魚類的無損傷率及存活率是當前研究的熱點[2]，在本試驗中，A組經(jīng)單次抽吸，魚體表的損傷面積比為(0.78±0.24)%，對魚體的體表損傷低于射流式吸魚泵[5,10,12]。在試驗結束后24 h內(nèi)，沒有魚表現(xiàn)出游泳異常和死亡現(xiàn)象，解剖也未發(fā)現(xiàn)組織或魚鰾損傷，存活率均達到100%，表明真空式吸魚泵對魚的表觀損傷影響較小。

魚類的血液反映了魚類機體非特異性免疫和特異性免疫機能的變化，相關參數(shù)是診斷疾病和評價健康狀況的重要指標[26]。其中白細胞的主要作用是保護機體，抵御病害的侵襲，在出現(xiàn)炎癥或損傷時，數(shù)量會有顯著變化[27]，在本試驗中隨著重復經(jīng)吸魚泵次數(shù)的增加，魚體表的損傷面積比增加，魚血液中白細胞數(shù)量也呈上升趨勢，C組顯著高于A組，其原因可能是多次抽吸對魚產(chǎn)生應激反應，刺激魚體免疫機能在短時間內(nèi)增強，造成數(shù)量快速升高。SOD活力高低變化可指示魚受應激水平[28-29]，在本研究中，各試驗組SOD活力均高于對照組，其中B組顯著高于對照組，表明經(jīng)吸魚泵抽吸后，魚體對抗氧自由基的能力有所提高，負壓的應激造成魚機體產(chǎn)生過多的氧自由基并引起氧化損傷，SOD活力的升高可消除過多的自由基，以減輕氧化應激對機體的損傷，其活力的升高是對自由基積累的響應[30-31]，表明吸魚泵的抽吸操作對魚有一定的氧化應激。ALT活力是指標肝功能損傷的血液學指標[12]，徐茂森等[5]采用鯽魚在通過射流式吸魚泵后ALT活力持續(xù)增加，對鯽魚肝臟造成較嚴重的損傷。在本研究中，各試驗組的ALT活力均低于對照組，表明吸魚泵的抽吸操作并沒對魚的肝組織造成影響。Cr含量是肌酸通過不可逆的非酶脫水反應形成的代謝產(chǎn)物，被釋放到血液中，再通過腎隨尿排泄[5]。因此，Cr含量常作為判別腎功能好壞的一項指標[30,32]，本研究中各試驗組和對照組均無顯著差異，這與徐茂森等[5]研究規(guī)律相符，表明真空吸魚泵對鯽魚的腎臟無損傷影響，Cr含量指標對于損傷評價意義不大。

4 結論

真空式吸魚泵在正常抽吸情況下對魚的損傷情況與對照組無顯著差異，采用本研究的主成分分析法構建其損傷評價綜合評價模型：F=0.285X1+0.111X2+0.316X3+0.366X4-0.118X5+0.234X6，正常抽吸條件下魚的損傷綜合得分為-0.102，與對照組得分較為接近，表明其對魚的損傷程度較低；連續(xù)5次抽吸條件下魚的損傷綜合得分為0.755，顯著高于對照組，表明連續(xù)抽吸對魚造成較大的損傷影響，該損傷綜合評價模型為后續(xù)吸魚泵的改進研究提供有力參考。