周 默 黃六一 尤鑫星 藍恭海 李玉巖 劉 曉
(中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,青島 266003)
水下氣泡幕,是通過充氣設(shè)備、輸氣管道和開孔出氣管組合而成的裝置,在水下特定深度處生成的一種氣泡幕墻。氣泡幕對魚類感覺器官(如視覺、聽覺等)產(chǎn)生刺激,從而改變魚群原有游泳路徑,達到阻攔魚群路徑、縮小魚群活動空間的作用,實現(xiàn)阻攔和聚攏魚群的效果。相對于傳統(tǒng)的攔網(wǎng)式誘驅(qū)魚技術(shù),水下氣泡幕具有低成本、無污染和無損傷等優(yōu)點,在海洋增養(yǎng)殖、漁業(yè)捕撈和水利工程等領(lǐng)域已有一些應(yīng)用實例[1—3]。目前國內(nèi)外關(guān)于氣泡幕對魚阻攔效果的研究仍以室內(nèi)實驗為主,且對氣泡幕阻攔機制的研究尚淺。徐是雄等[4]發(fā)現(xiàn)在0—120 L/min氣量范圍內(nèi),隨氣量的增加,氣泡幕對鰱(Hypophthalmichthys molitrix)幼魚的阻攔效果呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。趙錫光等[5,6]探究了出氣管開孔孔徑和孔距對黑鯛(Sparus macrocephalus)游泳阻攔率的影響,結(jié)果表明孔徑0.5 mm、孔距5.0 cm時的氣泡幕阻攔效果最佳,平均阻攔率達75%。此外,一些學(xué)者探究了不同實驗魚種和魚群密度對氣泡幕阻攔效果的影響。劉理東等[7]研究表明氣泡幕對尼羅羅非魚(Tilapia nilotica)、鰱、鳙(Aristichthys nobilis)、草魚(Ctenopharyngodon idellus)和鯽(Carassius auratus)5種淡水魚類均有阻攔效果,且阻攔率存在明顯的種間差異。黃六一等[8]研究了氣泡幕對不同密度許氏平鲉(Sebastes schlegeli)魚群阻攔效果的影響,得出氣泡幕對不同密度魚群的均有較好的阻攔效果,但未發(fā)現(xiàn)魚群密度與阻攔率存在很強的相關(guān)性。
一系列的研究結(jié)果表明在氣泡幕對魚的阻攔過程中,魚的視覺、聽覺和機械振動感覺均能感知到氣泡幕的存在,使其發(fā)生多種形式的趨避反應(yīng)。Welton等[9]在弗羅姆河用玻璃通道,探究了氣泡幕裝置對大西洋鮭(Salmo salarL.)幼魚遷徙方向偏轉(zhuǎn)的影響,結(jié)果顯示其效率在白天低于夜間近44%。Leander等[10]用氣泡幕裝置引導(dǎo)大西洋鮭順流遷徙的室內(nèi)實驗結(jié)果顯示,光照環(huán)境下氣泡幕對大西洋鮭的阻攔效果明顯高于黑暗環(huán)境。趙錫光等[6]在通過實驗測得氣泡幕產(chǎn)生的兩個聲壓峰中,最大聲壓峰在1 kHz以下低頻區(qū),另一個在3—9 kHz高頻區(qū),而大多數(shù)魚類的聽覺范圍小于1 kHz[11]。趙錫光等[12]研究了氣泡幕對黑鯛的阻攔作用機制,比較了同種參數(shù)氣泡幕對正常視覺與失去視覺黑鯛的阻攔效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑暗環(huán)境下氣泡幕對其阻攔率下降約40%。Zielinski等[13]發(fā)現(xiàn)僅在水槽中播放錄制的氣泡幕聲音同樣對鯉(Cyprinus carpio)有一定的阻攔效果。尹入成等[14]發(fā)現(xiàn)在全黑暗的環(huán)境下,異齒裂腹魚(Schizothorax oconnori)的側(cè)線能夠感知氣泡幕破裂時產(chǎn)生的機械振動,認為這是魚類對氣泡幕產(chǎn)生趨避作用的主要因素。
虹鱒(Oncorhynchus mykiss)隸屬于硬骨魚綱,鮭形目,鮭科,大麻哈魚屬的一種冷水性淡水魚類,原產(chǎn)于北美地區(qū)。自1959年首次引進以來,我國先后從不同國家引進了數(shù)個虹鱒品系[15]。虹鱒等鮭鱒魚類作為目前世界上海水養(yǎng)殖最成功的魚類,在挪威、智利等國家自然海域有大量養(yǎng)殖[16]。但由于我國所處地理位置自然海域夏秋季水溫偏高,制約著我國海上鮭鱒魚類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。多年調(diào)查發(fā)現(xiàn),在我國黃海海域夏秋季會生成一個巨大的冷水團,具有潛源(水深20—30 m)、低溫、溶氧充足等特點,為自然海域全年養(yǎng)殖冷水魚提供了可行的條件[17]。2021年由中國海洋大學(xué)聯(lián)合日照萬澤豐漁業(yè)有限公司、青島武船重工等單位聯(lián)合研制的“深藍1號”全潛式大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱在黃海冷水團已取得虹鱒規(guī)模化養(yǎng)殖成功。為充分利用黃海冷水團適宜養(yǎng)殖虹鱒等冷水魚的水體,全潛式網(wǎng)箱在夏季(7—10月)需將網(wǎng)箱頂部下潛到水下20 m以下,網(wǎng)箱內(nèi)部處于黑暗環(huán)境中[17]。在此條件下如何實現(xiàn)網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖虹鱒的攔截聚集,實現(xiàn)按需捕撈,是該養(yǎng)殖模式需要深入研究的問題。本研究以虹鱒為研究對象,開展不同孔徑、孔距、氣量產(chǎn)生的氣泡幕在光照和黑暗環(huán)境下對虹鱒的阻攔效果研究,探究氣泡幕對虹鱒的阻攔作用及阻攔機制,為我國深遠海大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖虹鱒的魚群控制技術(shù)和捕撈裝備的研發(fā)提供理論參考和技術(shù)支持。
實驗虹鱒采購于山東省濰坊市臨朐縣某養(yǎng)殖有限公司,共120尾,平均體長(208.0±18.9) mm,平均體高(44.0±1.5) mm,平均體寬(23.0±2.3) mm。在實驗期間將虹鱒暫養(yǎng)于室內(nèi)圓形養(yǎng)殖水槽中,水溫15—19℃,溶氧9.5—10 mg/L。每日投喂1次,保證虹鱒的正常生長。
實驗在中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院動力水槽(觀測段: 長4.0 m,寬1.2 m,水深1.0 m)中進行。如圖1所示,在實驗水槽觀測段出入口分別用網(wǎng)目大小35 mm的攔截網(wǎng)控制虹鱒的活動范圍;在水槽底部中央處鋪設(shè)長度1.2 m的聚丙烯(PPR)管(外徑20.0 mm,內(nèi)徑17.0 mm),管的兩端用絕緣膠帶密封,在管道上側(cè)開等距等徑小孔(孔距分別為1.0、2.0、3.0和4.0 cm,孔徑分別為0.5、1.0、1.5和2.0 mm),共制作7種規(guī)格氣泡幕管道;將電動空壓機(JB-800W*4,浙江藤井空壓機有限公司)通過直徑6.0 mm的熱塑性聚氨酯橡膠(TPU)軟管連接氣泡幕管道,進行60、120和180 L/min三種氣量充氣操作;水槽室內(nèi)全屋用遮光布遮擋門窗,進行遮光處理,用遮光布覆蓋水槽觀測段的視窗;光照環(huán)境的實驗光源是在水槽中部上方距離1.7 m處安裝的20 W熒光燈,打開時水面照度200 lx;光照實驗和黑暗實驗中分別采用Gopro 9相機(GoPro Inc.)與松典254K型紅外相機(深圳市索達數(shù)碼科技有限公司),拍攝虹鱒的行為反應(yīng)。其中,黑暗實驗用三臺850 nm的紅外補光燈(HGIR2030-90W,宏光視訊)進行光源補充,便于黑暗中拍攝虹鱒的影像。
每次實驗從暫養(yǎng)水槽中隨機選取10尾虹鱒放入實驗水槽中,先進行約30min的環(huán)境適應(yīng),待虹鱒在實驗水槽內(nèi)自由游動,無明顯的應(yīng)激反應(yīng)后開始實驗。實驗水體平均溶氧為(9.23±0.32) mg/L,平均溶氧飽和度為(89.03±3.12)%。實驗工況設(shè)置如表1所示。光照實驗采用單一變量法依次開展: (1)孔徑1.0 mm,氣量120 L/min時,進行孔距為1.0、2.0、3.0 和4.0 cm的氣泡幕阻攔實驗,確定阻攔率最優(yōu)的孔距A;(2)孔距A,氣量120 L/min時,進行孔徑為0.5、1.5和2.0 mm的氣泡幕阻攔實驗,確定最優(yōu)孔徑B;(3)孔距A,孔徑B時,進行氣量為60和180 L/min的氣泡幕阻攔實驗,確定最優(yōu)氣量C。其次,選用光照實驗所用工況中阻攔率最佳的氣泡幕生成工況(孔距A、孔徑B和氣量C)進行黑暗環(huán)境下的氣泡幕阻攔實驗。在光照環(huán)境實驗和黑暗環(huán)境實驗前,分別進行鋪設(shè)氣泡幕管道而不通氣的空白實驗。每種工況實驗時長為1h,進行3次重復(fù)實驗,實驗期間用相機記錄虹鱒的過幕行為。
采用阻攔率(Obstructing rate,OR)表示氣泡幕對實驗魚的阻攔效果[7]。阻攔率越高表示實驗魚更傾向于在原有空間內(nèi)活動,氣泡幕的阻攔效果更好。計算公式如下:
式中,OR為阻攔率,%;NPT為單位時間內(nèi)虹鱒個體主動通過氣泡幕的次數(shù),次;NPA為單位時間內(nèi)空白實驗中虹鱒通過氣泡管上方的次數(shù),次。每組實驗采用記錄的1h視頻數(shù)據(jù),通過肉眼多次計數(shù),統(tǒng)計每10min內(nèi)虹鱒主動通過氣泡幕的平均次數(shù)。虹鱒每主動游過(頭部先通過)氣泡幕管道上方計為有效過幕次數(shù)1次,而被動穿過(因氣泡幕卷吸作用,尾部先通過)氣泡幕管道上方,作為無效通過??偟倪^幕次數(shù)為有效過幕次數(shù)之和。計算得到每10min氣泡幕對虹鱒的阻攔率,用于后續(xù)分析。
為進一步探究孔徑、孔距和氣量與阻攔率的關(guān)系,建立出氣速度(即壓縮氣體從氣泡幕管道中噴出時的速度[18])與阻攔率的響應(yīng)模型。出氣速度計算公式如下:
式中,v為出氣速度,m/s;Q為氣量,L/min;S為出氣面積,m2;D為氣泡幕孔距,m;L為氣泡幕管道長度,m;R為氣泡幕孔徑,m。
用小樣本數(shù)據(jù)的S-W檢驗(Shapiro-Wilk test),分析各工況下虹鱒過幕次數(shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性;在此基礎(chǔ)上,采用配對樣本T檢驗,比較光照環(huán)境與黑暗環(huán)境間,空白實驗中虹鱒游過氣泡幕管道上方的次數(shù),和通氣實驗中氣泡幕對虹鱒阻攔率的均值差異;采用獨立樣本T檢驗,比較不同工況條件下的實驗與空白實驗之間,虹鱒通過幕次數(shù)的均值差異;采用單因素方差分析(One-way ANOVA),分析各因素不同水平下的氣泡幕阻攔率是否存在差異性。數(shù)據(jù)分析均利用SPSS 25.0軟件,以P<0.05表示差異顯著。
空白實驗觀測發(fā)現(xiàn),在光照環(huán)境下,虹鱒在游動過程中偶會出現(xiàn)突進游動和個體追逐等現(xiàn)象,但大多在水槽下層自由游動,兩側(cè)攔截網(wǎng)與氣泡幕管對虹鱒的活動方式未造成明顯的吸引或驅(qū)趕等影響;在黑暗環(huán)境下,虹鱒的游泳行為與光照環(huán)境下類似,但虹鱒個體的追逐行為減少,活動水層變淺。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),黑暗環(huán)境中虹鱒穿越氣泡幕管道上方的次數(shù)比光照環(huán)境下顯著減少(T-test,P<0.05),平均減少36%(圖2)。
行為描述觀測發(fā)現(xiàn),所有實驗中氣泡幕的形成瞬間對虹鱒均存在明顯的刺激,主要體現(xiàn)為游速加快且游泳方向多變。隨后虹鱒行為趨于穩(wěn)定,在水體下層平穩(wěn)游動,偶爾突然調(diào)轉(zhuǎn)方向,以暴發(fā)速度進行短距離游動,有時虹鱒會出現(xiàn)倒著游的現(xiàn)象。虹鱒有時也會游向氣泡幕,在接觸氣泡幕前調(diào)轉(zhuǎn)方向,或直接穿過氣泡幕。
不同工況氣泡幕對虹鱒的阻攔率如圖3所示,在孔徑1.0 mm、氣量120 L/min時,四種孔距(1.0、2.0、3.0和4.0 cm)的氣泡幕對虹鱒均有明顯的阻攔效果(T-test,P<0.05),其中孔距為2.0 cm的氣泡幕阻攔率最高,顯著高于孔距4.0 cm(One-way ANOVA,P<0.05),與孔距1.0 cm和3.0 cm差異不顯著(One-way ANOVA,P>0.05)。
如圖4所示,在孔距2.0 cm、氣量120 L/min時,4種孔徑(0.5、1.0、1.5 和2.0 mm)的氣泡幕均對虹鱒有明顯的阻攔效果(T-test,P<0.05),其中孔徑為1.0 mm的氣泡幕阻攔率最高,但與孔徑0.5、1.5 和2.0 mm差異不顯著(One-way ANOVA,P>0.05)。
圖4 不同孔徑氣泡幕對虹鱒的阻攔率(孔距2.0 cm,氣量120 L/min)Fig.4 Obstructing rate of Oncorhynchus mykiss by bubble curtain with different hole diameter (2.0 cm hole spacing,120 L/min gas flows)
如圖5所示,在孔距2.0 cm、孔徑1.0 mm時,3種氣量(60、120和180 L/min)的氣泡幕均對虹鱒有明顯的阻攔效果(T-test,P<0.05),其中氣量為120 L/min的氣泡幕阻攔率最高,顯著高于氣量180 L/min (Oneway ANOVA,P<0.05),與氣量60 L/min差異不顯著(One-way ANOVA,P>0.05)。綜上所述,在光照環(huán)境,孔徑1.0 mm、孔距2.0 cm、氣量120 L/min的氣泡幕對虹鱒的阻攔效果在所用工況氣泡幕中最佳,阻攔率為(96.32±3.99)%,且隨孔徑、孔距、氣量的增大,氣泡幕對虹鱒1h的平均阻攔率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(表2)。
表2 不同工況氣泡幕對虹鱒1h的平均阻攔率Tab.2 Average obstructing rate of Oncorhynchus mykiss by bubble curtain under different conditions during 1h
圖5 不同氣量氣泡幕對虹鱒的阻攔率(孔徑1.0 mm,孔距2.0 cm)Fig.5 Obstructing rate of Oncorhynchus mykiss by bubble curtain with different gas flows (1.0 mm hole diameter,2.0 cm hole spacing)
氣泡幕出氣速度與阻攔率的響應(yīng)關(guān)系通過出氣速度計算公式,得到氣泡幕在各工況下的出氣速度(表3)。在10.61—84.88 m/s出氣速度內(nèi),對阻攔率進行回歸擬合(圖6),得到擬合公式為: OR=-0.0063v2+0.505v+86.486,R2=0.8367,其中二次項系數(shù)P=0.008<0.05,一次項系數(shù)P=0.016<0.05,常數(shù)項P=4.3×10-7<0.05。由擬合公式可得阻攔率最高的出氣速度為40.08 m/s,與工況Ⅱ(v=42.44 m/s)最為接近。
圖6 出氣速度與阻攔率的擬合曲線Fig.6 Relationship between gas ejection velocity and obstructing rate
在工況Ⅱ(孔徑1.0 mm,孔距2.0 cm,氣量120 L/min)的黑暗環(huán)境實驗中,氣泡幕的生成瞬間,未發(fā)現(xiàn)虹鱒的游泳行為產(chǎn)生明顯變化。在氣泡幕形成后一段時間內(nèi),虹鱒常被氣泡上升時帶動的水流沖到水體上層,而水體上層和下層水流方向不同,使虹鱒在水槽內(nèi)無法保持身體穩(wěn)定。隨后,虹鱒逐漸適應(yīng)水流環(huán)境,在水槽中平穩(wěn)游動,偶爾也出現(xiàn)突然調(diào)轉(zhuǎn)方向,以暴發(fā)速度進行短距離游動的現(xiàn)象。在虹鱒游向氣泡幕的過程中,虹鱒頭部接觸到氣泡幕時會受到驚嚇,掉頭游動或直接穿過氣泡幕。虹鱒有時出現(xiàn)倒著游的現(xiàn)象,與光照環(huán)境下相似。
如圖7所示,黑暗環(huán)境下氣泡幕對虹鱒1h的平均阻攔率為(87.48±2.55)%,依然存在明顯的阻攔效果(T-test,P<0.05)。黑暗環(huán)境中氣泡幕對虹鱒的阻攔率與光照環(huán)境下存在顯著差異(T-test,P<0.05),平均阻攔率下降10%左右。
圖7 黑暗環(huán)境下氣泡幕對虹鱒的阻攔率Fig.7 Obstructing rate of Oncorhynchus mykiss by bubble curtain in dark condition
實驗觀察發(fā)現(xiàn),虹鱒穿過氣泡幕的方式可分為被動性和主動性兩種方式。由于水槽空間的局限性,氣泡幕的上升過程會帶動周圍的水體,在水槽內(nèi)形成環(huán)流[19](圖8)。本研究發(fā)現(xiàn)虹鱒喜歡在水槽的中下水層活動,在氣泡幕形成后,虹鱒由于其趨流性,頂流向水槽兩端游動,以克服環(huán)流的作用,而虹鱒的位置相對于水槽基本保持不變,大部分時間保持平穩(wěn)游動。虹鱒偶爾會因水流流速過大出現(xiàn)倒退的情況,甚至被氣泡幕卷吸[14],被迫穿過氣泡幕,這與白艷勤等[20]的研究中花?(Hemibarbus maculates)和白甲魚(Onychostoma sima)出現(xiàn)倒著游靠近氣泡幕的現(xiàn)象類似,這屬于虹鱒被動穿過氣泡幕方式。虹鱒在頂流平穩(wěn)游動時偶爾會突然調(diào)轉(zhuǎn)方向,以暴發(fā)速度進行短距離游動,或順?biāo)饔蜗驓馀菽?此時虹鱒通常會被氣泡幕阻攔,但也存在虹鱒直接穿過氣泡幕的情況,這屬于虹鱒主動穿過氣泡幕方式。
圖8 水槽內(nèi)環(huán)流示意圖Fig.8 Schematic diagram of circulation in the flume
魚類主動游向氣泡幕時,其視覺、聽覺等器官在一定距離內(nèi)可以感知到氣泡幕的形狀和振動,對魚產(chǎn)生驚嚇,使其在氣泡幕前調(diào)轉(zhuǎn)方向,從而游離氣泡幕,達到阻攔效果[21]。實驗發(fā)現(xiàn),在光照環(huán)境下氣泡幕形成的瞬間,虹鱒有明顯的應(yīng)激反應(yīng),表現(xiàn)為游速加快、方向多變;在黑暗環(huán)境下氣泡幕形成的瞬間,虹鱒沒有明顯的應(yīng)激反應(yīng),說明氣泡幕通過視覺作用對虹鱒的行為有一定影響,這是由于在黑暗環(huán)境下虹鱒的視覺無法感知到氣泡幕的存在。在光照環(huán)境下,游向氣泡幕的大部分魚在接觸氣泡幕前便調(diào)轉(zhuǎn)方向;在黑暗環(huán)境下,游向氣泡幕的虹鱒會在頭部接觸氣泡時受到驚嚇,產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),說明在光照環(huán)境下,虹鱒能通過視覺提前感知到氣泡幕,從而做出行為反應(yīng),而在黑暗環(huán)境下,虹鱒只能通過其他感官近距離感知氣泡幕。工況Ⅱ氣泡幕在光照和黑暗環(huán)境下對虹鱒的阻攔率分別為(96.32±3.99)%和(87.48±2.55)%,黑暗環(huán)境下平均阻攔率較光照環(huán)境降低了10%左右,說明在視覺上氣泡幕對虹鱒的阻攔有一定的作用,但不是主導(dǎo)作用。虹鱒的聽覺和機械振動等其他感官哪一種起主導(dǎo)作用需要在今后進一步深入研究。另外魚種不同、魚對氣泡幕的適應(yīng)能力不同均可能造成阻攔效果的差異[8,14,19,22,23]。
氣泡密集的氣泡幕對虹鱒視線遮擋率高,更像一堵“氣泡墻”,使虹鱒不會輕易穿過,而氣泡稀疏的氣泡幕無法完全阻斷魚對氣泡幕另一側(cè)環(huán)境的感知。不同的孔徑、孔距和氣量的氣泡幕在氣體噴出時發(fā)出的聲音大小、振動的頻率高低也不同,可能對虹鱒有不同程度的影響。根據(jù)研究結(jié)果可知,氣泡幕對虹鱒1h的平均阻攔率隨孔徑、孔距、氣量的增加,均呈先增加后減小的趨勢。實驗中發(fā)現(xiàn),與工況Ⅱ相比,在同氣量下,出氣面積小(孔距大或孔徑小)的氣泡幕,氣體噴出速度較大,氣泡稀疏,視覺上的遮擋率較低,即虹鱒看向氣泡幕另一側(cè)的視線無法完全被氣泡遮擋,如Ⅳ;而出氣面積大(孔距小或孔徑大)的氣泡幕則會使管道內(nèi)遠離進氣口處氣壓不足,難以將管內(nèi)水體排出,因此此處的氣泡斷斷續(xù)續(xù),或無氣體噴出,無法形成完整的氣泡幕,如工況Ⅶ。與工況Ⅱ相比,出氣面積相同時,氣量小的氣泡幕氣泡稀疏,如工況Ⅷ;氣量大的氣泡幕氣體噴出速度較大,帶動水體形成的環(huán)流流速較大,可能會加強氣泡幕對虹鱒的卷吸作用,如工況Ⅸ。從出氣速度的角度分析,出氣速度小的氣泡幕氣泡稀疏,出氣速度大的氣泡幕環(huán)流速度大、卷吸作用強,與實驗結(jié)果一致。另外,孔距大的氣泡幕底部會有較大的縫隙(如工況Ⅳ),使該水層的魚類更易穿過氣泡幕。
為探究氣泡幕對虹鱒的阻攔作用及阻攔機制,本研究通過單一變量法,分別用4種孔徑、4種孔距及3種氣量的氣泡幕對虹鱒進行了阻攔實驗,并對比了在黑暗條件與光照條件下阻攔率的差異,得到如下結(jié)論: (1) 虹鱒穿過氣泡幕的方式可分為被動性和主動性兩種方式。(2) 在本研究所設(shè)置的工況中,工況Ⅱ,即孔徑1.0 mm、孔距2.0 cm、氣量120 L/min的氣泡幕阻攔效果最佳,阻攔率為(96.32±3.99)%。(3) 氣泡幕對虹鱒1h的平均阻攔率,隨孔徑、孔距、氣量的增大,均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,隨出氣速度增大同樣呈先增大后減小的趨勢。阻攔率與出氣速度的擬合公式為: OR=-0.0063v2+0.505v+86.486,R2=0.8367。(4) 在黑暗環(huán)境下,工況Ⅱ氣泡幕對虹鱒的阻攔率為光照條件的90.82%,說明在視覺上氣泡幕對虹鱒的阻攔有一定的作用,但不是主導(dǎo)作用。