LED光源在封闭循环水养殖业的应用分析

宋昌斌 仇登高 王军喜 于凯松 刘 鹰

(1中国科学院半导体研究所，北京 100083;2中国科学院海洋研究所，山东青岛 266071;3中国科学院大学，北京 100049;4山东东方海洋科技股份有限公司，山东烟台 264003)

1 引言

封闭循环清洁水养鱼是指集现代工业技术于一体的工厂化、集约化养殖模式。与传统养殖方式相比，循环水养殖生产每单位水产品可以节约50－100倍的土地和160－2600倍的水，并且几乎不污染环境。由于诸多环境因素限制，水产养殖变成人工控制的可靠食物来源，从1970年在世界范围得到快速发展。我国是世界水产养殖第一大国，2010年养殖总产量达到3828.84万吨，占我国水产品总产量的71%，占世界水产养殖产量的70%以上。2009年3月英国《Nature》发表文章论述循环水养殖将是未来渔业发展的必然趋势。

在自然界，光照作为一种稳定性和规律性生态因子，对鱼类的摄食、代谢、生殖、内分泌等生理机能起着重要的触发作用。随着半导体技术的发展，各种波长、大小功率的LED封装芯片被开发出来并广泛应用于各行业，人们逐渐认识到LED人工光照作为一种物理手段，不仅可以增加水产养殖生长效率，尽可能得到商品鱼的重量，而且可以控制鱼类关键时候的性腺发育，获得绿色高品质的食品。目前相对于水系统处理、营养饵料、育苗技术及病害防治研究，光照对鱼生理机能的影响研究比较少而且粗放。国外的研究文章从上世纪90年代日渐增多，我国的研究处在刚刚起步阶段。

LED光源在现代农业集约化种植、养殖、微藻繁殖等领域中发挥着越来越重要的作用，LED可以根据鱼类品种生长性腺发育所需的光谱光强光周期需求进行组合，为商品鱼的生长提供合理的光环境条件，可显著提高鱼的产量和品质;同时，LED是安全、健康的“绿色光源”，废弃后无污染，环保

节能，具有广阔的应用前景。

如果采用LED光源，存在如何选取适宜鱼类生长生殖的光色，光强、光周期最佳优化指标，确定参数来改善鱼的生理节律、摄食行为、生长发育、繁殖性能的技术体系，以此对养殖业的LED光照应用工作提供参考依据。

2 目前使用的光源

2.1 传统光源

目前在封闭循环清洁水养殖领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是光效、防水等级低、能耗大、运行成本高、光质光周期不能调控等诸多问题。此外，荧光灯的废弃会严重污染水源，一只节能灯的灯管平均含有0.5毫克的汞，破碎会至少污染180吨水，由于汞的沸点低，常温下即可蒸发，破碎的节能灯管，瞬间可使车间潮湿空气中的汞浓度超标上百倍。传统气体放电光源已经不适应绿色环保、节能减排及优化光参数的要求。

3 鱼类眼睛生理

3.1 鱼类眼睛结构功能

硬骨鱼类有发达的眼睛，基本构造和高等脊椎动物的眼睛相似，但由于适应水中生活使其具有自身的特点。鱼类眼球内层视网膜由感光视锥细胞和视杆细胞组成，大多数板鳃鱼类的视网膜只有视杆细胞，即许多深海鱼类完全没有视锥细胞。少数鱼类还有特化的“双视锥细胞”。大多数鱼类的瞳孔固定不变，球形水晶体和角膜相距很近，视角非常宽，位于头部两侧的鱼眼视角在平面是166－170度，在垂直面是150度。

3.2 鱼类眼睛视觉能力

鱼眼圆形水晶体导致鱼类全部是近视眼，明视觉看清晰一米以内物体，远处不会超过10－12米。

鱼类视黄醛与其视蛋白组成的视觉色素吸收光谱为430－620nm，以视黄醛1为基础形成的视觉色素称为视紫红质，以视黄醛2为基础形成的视觉色素称为视紫质。前者吸收光谱范围为430nm－562nm，后者为570－620nm。如大西洋鲑鱼是在海水与淡水之间进行洄游的鱼类，具有二种视觉色素的混合物，而产卵场的盐度是决定视觉色素的主要因素，即产卵场在淡水的洄游鱼类，以视紫质为主;反之，产卵场在海水的洄游鱼类以视紫红质为主。某种鱼类视觉色素吸收的光谱只占人眼吸收光谱的少量部分，不同波长的光对于吸收的效率与人眼的视觉效率是完全不同的。

4 人工光源的计量单位

4.1 人工光源的评价

人工光源在养殖设施应用中需要一个合理的评价标准，目前实践中大多都是按照建筑照明的评价标准，采用按人的视觉效应评价的光照度进行度量，单位Lx(勒克斯)，这是在380nm－780nm的可见光范围内，以对人眼视觉效应最强555nm波长光为基准，按人眼的视觉效应对不同波长的光区别计算进行度量的。但光度量范畴的照度光强单位用于工厂化鱼类养殖的评价是不适宜的，评价光能转化的效用应该从鱼类生理行为的角度进行度量，在我们没有搞清楚各种鱼类对各种不同光色的感光灵敏度大小之前，形成不了鱼类的光谱响应曲线，即鱼类光度系统，所以目前用能量单位描述光辐射能的客观辐射度量学为宜。辐射通量又称辐射功率，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是辐射能随时间的变化率。

4.2 辐射照度与光照度的换算

目前水产养殖企业均使用照度计来测量光照强度，显示到照度计表头的都是光通量单位勒克斯(Lx)，这在单一波长光色情况下可以用光照度单位比较光强大小，如果混合光色做实验，光照度单位衡量出的大小是不合适的。实践中需要辐射通量与光通量的转换公式。实际上，辐射源所发射的能量往往由很多波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射能量，还须对单一波长的辐射能量作相应的规定。光谱辐射量又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。获取光度系统与辐射度的转化公式会对科研与生产管理提供极大的方便。

辐射通量又称辐射功率，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是辐射能随时间的变化率。

按人的视觉光谱敏感效率特性视见函数V(λ)来评价的辐射通量Φe，即为光通量Φv，

Km—比例系数，是波长555nm光谱光视效能，为683LmW

λ—波长，米

Φe(λ)—波长为λ的单色光的辐射功率，W。

在可视波长范围内，

Φe(λ):单色光的辐射照度分布密度，单位W/m2

辐射照度与光照度之间的换算:

对于LED，在集中一个波长附近小范围的可见光)中，V(λ)为一近似不变值，

则:Kev=KmV(λ)单位:lx/(W/m2)

5 水中光辐射照度度量

鱼类的摄食是一种对光主动适应的内源性节律，不同类型的鱼摄食与光照强度都有一定关系。研究表明在一定光强范围内，鱼类最为活跃，摄食率最高。Blaxter研究表明仔鱼摄食的临界光强是0.1lx，最适宜范围是100－500lx。超过1000lx仔鱼明显出现受惊反应，甚至休克而死亡。光照强度对鱼的激素分泌活动也有影响。Cook等研究结果在大于200lx的光照强度下，显著的影响虹鳟鱼血浆中的甲状腺素的峰值。目前水产车间大多在每个池子上方布一盏灯，或在二排池子中间过道上方布一排灯。建筑设计照明光强计算方法有点光源的距离平方反比定律、线面光源、单位面积容量等照度计算公式。计算工具可用照度计、光谱光合照度计、DIALux等通用软件。但要计算鱼池某一深度的辐射照度，或用水下辐射照度计，或是用下面数学公式推导计算。

光在水中传输由于复杂的吸收与散射伴有强烈的衰减，

LED经过几十年的进步，技术瓶颈不断突破，性能指标迅速提高，尤其是光照输出功率大，遮光体积小，必将为大面积水产养殖光照的主力光源。

6 水中光色变化

6.1 光线海水中传播

研究鱼类对那种波长的光谱敏感，就需要知道物种在长期进化中适应的光环境。比如长波长的光对宝蓝鲷鱼卵巢发育影响指数高，这是由于宝蓝鲷鱼生长环境是太平洋礁石浅水区，所以国外用人工红光诱发刺激该种鱼生殖内分泌激素。

海洋是一个复杂的物理、化学、生物系统，光在海水中传播非常复杂。海水的吸收特性与海水的成分密切相关。海水成分主要包括水分子、无机溶解质及各种悬浮物在内的多种有机物。同时海水的吸收性还表现为较大的易变性，即同一水域不同深度、不同时间，其吸收性都随时间和空间明显变化。海水的散射非常复杂，包括水分子本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射及透明物质折射引起的散射。光在水中传播过程中，由于吸收和散射，其能量会损失殆尽。散射是水中无数个杂乱无章的界面对光多次的反射和折射引起的。每个光子的能量是普朗克常数，v是光子频率，λ光子波长，c:光速。

基本能量单位只与辐射波的频率有关，与频率成正比，即与波长成反比。所以长波长的光在水中的穿渗透力小于短波长。

图1 不同波长的光在海水穿透力及水深颜色图 (图片选自美国海洋与大气局网站)Fig.1 Penetration of various light and the water color

从图1我们看出浅海水色是白－淡绿－绿－蓝绿，深海水色变化大致是:

海洋水深 (米)0－50 50－100 100－150 150－200颜色变化 白－淡蓝 淡蓝－蓝 蓝－深蓝 深蓝－暗蓝

知道随海水深度变化的光色，对在水产养殖车间设置何种波长的LED灯具装置很有参考价值。海水中可见光色是蓝色占主导地位，制订研究方案中的光色可以参考养殖对象野生长期活动洄游的水层。

6.2 不同波长LED芯片材料

目前建筑设计功能性照明大多数是由LED蓝光激发稀土荧光粉产生的白光，而LED工厂化水产业部分需要的是单色或几种混色光源，主要需要的是以红光为代表的长波长芯片，以蓝光为代表的短波长芯片。砷 (As)、磷 (P)系化合物半导体GaAsP、AIGaAs、AIGaInP发红、橙与黄光，目前以四元晶体AIGaInP发红光效率最高为15～40Lm/W。氮 (N)系化合物InGaN发绿、蓝光，InGaN发蓝光效率为10～50Lm/W。

还可以通过调节稳定性好，发射光谱宽，亮度高的荧光粉配比得到水产养殖所需的多种长短波长光谱。如使用蓝光LED芯片激发氮化物荧光粉形成红光LED，得到比红光LED芯片光谱更宽的红光。黄色橙色与绿色波长可以用蓝光LED芯片分别激发YAG铝酸盐、硅酸盐荧光粉得到。

7 光周期调控

7.1 光周期对鱼的影响

光周期调控在鱼的繁殖及生活行为起着重要作用。辽宁海洋水产研究所对牙鲆鱼的延长光照时间及配合提高水温促进亲鱼提前1－5个月性腺成熟与产卵。Yadav等研究结果大于16克的金鱼在恒黑条件下，其性腺发育被明显抑制。鲤鱼在性未成熟时，长光照能诱导排卵，当把其从长光照移到短光照条件下，性未成熟鱼的卵巢出现退化现象，接近成熟的鲤鱼长或短光照没有此影响。长江大学阮国良等实验结果长光照明显促进黄鳝性腺发育，同时对其生长有抑制作用。这些与Bromage等提出的关于光周期对鱼类性成熟的影响假定模型一致的。Witthey等对大西洋鳟的研究表明，标准代谢率在变化的光周期下比自然光周期的明显低。这可能由于变化的光周期可能导致大西洋鳟的生理状态变到冬季时刻表。

7.2 光周期调控手段

通过PWM占空比调节LED驱动电流，改变瞬间关闭会有效防止鱼类的应急反应，增强福利化养鱼效应。光周期控制可以光周期是一天范围内的光照亮暗状态，均可以自动变化。LED控制技术已经由最初单一恒流控制，发展到现在的可控硅调光、PWM调光、DMX512、DALI、ZigBee等协议调光。控制模式也由最早的线控技术发展到IR、FR、Wi－Fi短距离无线控制。控制器采用嵌入式结构，可以对光参数进行实时监测，通过互联网将数据与远程服务器进行通讯，系统可方便地实现任务调度。

8 光源系统设计

8.1 防水等级

水产养殖车间一般湿度达到90%以上，对灯具防水要求比较高。一般来说车间悬挂灯具，防护等级标准要达到IP65，如果为节能考虑灯具安装到养殖鱼池里面，IP等级至少达到IP67以上。

中科院半导体研究所与北京勇电欧格照明灯具有限公司共同设计提供给中科院海洋所在水池中光照实验的LED灯具防护等级达到最高IP68，这种灯具的制作工艺是设计封装后的LED与其它电子器件焊接后，将驱动电路或控制电路封装在聚合物封装体，一次成型的二次封装技术，达到完全防水保护作用。

8.2 LED光源配光

水产养殖鱼池有幼鱼池、成鱼池、亲鱼池等，多为水泥池或玻璃钢水槽，形状有圆形、长方形、八角形、长椭圆形、环道型等。水池面积一般为30－100m2，水深0.5m－1m。LED性能稳定、光色分布可调，但单颗外延芯片功率有限，市场上中、小功率芯片小于0.5瓦，即使大功率芯片也不超过5瓦，所以LED整灯需要或是多颗芯片阵列排布，或是COB规模集成封装。传统光源的反光罩配光方式不一定适合LED光源的发光方式，更主要的循环水工厂养鱼池形状大都是规则几何形状，所以LED配光的反光罩与透镜要配合一起设计，采用高折射率的透镜材料，既要被照水面光斑均匀，又要恰好覆盖整个鱼池以节约电能。

9 正交试验设计

9.1 问题的提出

水产光照实验中，需要同时考察光质、光强、光周期三因素三水平，最后确认哪种因素哪个水平比较重要，以便优先考虑加重设计。三因素三水平共有33=27次试验。实际中27次的试验规模较大，往往因现场条件的限制而难于实施。正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法，上述提出的问题用正交试验法安排试验只需要9次试验。

9.2 正交试验法应用

对试验指标可能有影响的变量简称为因素，用A、B、C…表示，每个因素可能出的状态称为因素的水平，用1、2、3…表示。正交试验 (表)法的特点:

(1)均衡分散性－代表性。

(2)整齐可比性－可以用数理统计方法对试验结果处理。

山东东方海洋科技股份有限公司通过与中科院海洋所合作，从挪威引进20万尾大西洋鲑鱼苗，并成功地实现淡水孵化和海水培育。存在主要问题是成鱼性腺指数偏高，商品鱼重量少，经济效益未能最大化。表1是从大西洋鲑鱼降海后某一中间阶段取得原始数据做出的其中一份正交试验表。从表1中清楚得到影响性腺发育的因素是光周期＞光强＞光质，刺激性腺发育的最优光照结合是24L:OD、中光强、红光。熟练应用正交试验设计可以大大提高实验效率。

表1 雄性大西洋鲑性成熟率正交试验直观分析表Table 1 Maturation rate analysis of male Atlantic salmon

(续表)

10 结论

封闭循环清洁水高密度水产养殖在短时间获取巨大经济效益的同时，也要付出因防疫治病使用抗生素药物带来水产食品药物残留品质降低的代价。用光照等物理方法调节鱼类生长行为是今后工厂化养殖业技术进步、提高自身竞争力的可持续发展方向。用LED人工光源是一门涉及多学科，多系统的研究领域。国外传统光源研究较早，使用LED光源相对较晚。从阅读过有限文献的来看，国外研究的方法不全面，不系统，得出的某些结论甚至相悖。目前国内逐渐认识到光因子的重要性，起步开始研究。国内LED自身的设计和制造在使用中还存在许多系统缺陷，如设计与制造标准不统一、制造工艺不可靠、驱动电源与芯片寿命不匹配、成本高于气体放电灯等。因此研制水产专用LED单色或全彩芯片、数字化调控技术，改善封装技术、散热及其防护技术与装备是目前迫切的工作。

光对鱼类生理影响非常复杂，而且与温度、季节及水质等因子交织一起。本文在封闭循环水养殖业LED光照方法方面做了基本性的分析，这只是光照调节鱼类生长生殖行为的一个初步的探索，希望将来与同行共同努力，深入全面研究，使国内循环水养殖业长期科学健康的发展。

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