程香菊，具家琪，胡佳純，謝 駿，余德光

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循環(huán)水養(yǎng)殖模式下魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)模型構(gòu)建

程香菊1，具家琪1，胡佳純2，謝 駿3，余德光3

（1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641； 2. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；3. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣州 510380）

為探究魚(yú)類生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境的響應(yīng)，預(yù)測(cè)魚(yú)類在養(yǎng)殖水環(huán)境多因子協(xié)同作用下的生長(zhǎng)速度，進(jìn)行了室內(nèi)曝氣推流循環(huán)水養(yǎng)殖羅非魚(yú)試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)周期為8周。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的增加，魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化效率和特定生長(zhǎng)率均有所提高；隨著非離子氨質(zhì)量濃度的增加，魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化效率和特定生長(zhǎng)率均有所降低；而亞硝酸鹽質(zhì)量濃度由于變化不大且均處于安全質(zhì)量濃度范圍，該試驗(yàn)中對(duì)魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化效率和特定生長(zhǎng)率未產(chǎn)生顯著影響。基于這一系列試驗(yàn)結(jié)果對(duì)羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率進(jìn)行了非線性擬合，建立了魚(yú)的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，2為0.82，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性和普適性。預(yù)測(cè)模型表明，養(yǎng)殖初始魚(yú)質(zhì)量、養(yǎng)殖密度、非離子氨以及亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的增加，均會(huì)導(dǎo)致魚(yú)生長(zhǎng)速度減緩，而提高溶解氧質(zhì)量濃度則可以提高魚(yú)生長(zhǎng)速度。該預(yù)測(cè)模型雖然是在曝氣推流循環(huán)養(yǎng)殖模式下獲得的，但對(duì)其他養(yǎng)殖模式同樣適用，使魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)變得可測(cè)，為促進(jìn)養(yǎng)殖魚(yú)類的健康發(fā)展、養(yǎng)殖系統(tǒng)的優(yōu)化和養(yǎng)殖效益的提高提供了便利和參考。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；魚(yú)；生長(zhǎng)；水環(huán)境；預(yù)測(cè)模型；非線性擬合

0 引 言

隨著養(yǎng)殖規(guī)模的提高，傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的弊端不斷顯現(xiàn)，包括對(duì)水資源的浪費(fèi)、污染等。池塘曝氣推流循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)則是在此基礎(chǔ)上對(duì)高效節(jié)能水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的探索，在國(guó)外得到了大力推廣和快速發(fā)展[1-2]，且自2013年從美國(guó)引入中國(guó)以來(lái)，已發(fā)展到全國(guó)的18個(gè)省市[3]。該養(yǎng)殖模式相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，具有使養(yǎng)殖水體循環(huán)流動(dòng)、補(bǔ)充溶解氧、提高魚(yú)類成活率，同時(shí)降低水資源消耗和減少污染等優(yōu)點(diǎn)[4]。

大量研究表明，溶解氧、氨氮和亞硝酸鹽是影響魚(yú)類生長(zhǎng)的三大影響因子。溶解氧通過(guò)限制代謝率進(jìn)而影響魚(yú)類的生長(zhǎng)[5]，是水質(zhì)狀況的重要指標(biāo)。Tranduy等[6]研究發(fā)現(xiàn)，羅非魚(yú)在3.0 mg/L的低氧環(huán)境中攝食量下降、生長(zhǎng)緩慢。研究表明黃顙魚(yú)[7]、大西洋比目魚(yú)[8]在低氧環(huán)境下也會(huì)生長(zhǎng)減緩。氨氮對(duì)水生動(dòng)物有一定的毒害作用，質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)對(duì)魚(yú)體內(nèi)酶的催化作用和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并破壞排泄系統(tǒng)和滲透平衡[9]。Paust等[10]報(bào)道較高的非離子氨質(zhì)量濃度（≥0.17 mg/L）會(huì)導(dǎo)致大比目魚(yú)食欲下降、生長(zhǎng)速度減緩和血液生化指標(biāo)發(fā)生明顯變化。類似非離子氨對(duì)生長(zhǎng)的抑制作用在斑點(diǎn)狼魚(yú)[11]和羅非魚(yú)[12]均被證實(shí)。過(guò)高質(zhì)量濃度的亞硝酸鹽會(huì)導(dǎo)致魚(yú)蝦血液中的亞鐵血紅蛋白被氧化成高鐵血紅蛋白，而后者不能運(yùn)載氧氣，從而抑制血液的載氧能力，造成組織缺氧，魚(yú)類攝食能力低甚至死亡[13]。類似亞硝酸鹽對(duì)生長(zhǎng)的抑制作用在大西洋鱈魚(yú)[14]和虹鱒魚(yú)[15]均被證實(shí)。溶解氧、氨氮和亞硝酸鹽三者間還會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，溶解氧不足，非離子氨和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度高，會(huì)使魚(yú)類機(jī)體代謝功能失調(diào)，免疫力下降，導(dǎo)致魚(yú)病發(fā)生[16]。

針對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)下水環(huán)境對(duì)魚(yú)類的生長(zhǎng)影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水環(huán)境單因子條件的研究較多，而對(duì)溶解氧、非離子氨和亞硝酸鹽協(xié)同作用下生長(zhǎng)模型的研究少有報(bào)道。因此，充分分析并預(yù)測(cè)魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)，對(duì)養(yǎng)殖產(chǎn)量的提高是非常必要的。

鑒于此，本文根據(jù)野外池塘曝氣推流循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的原型，按照一定的幾何比尺，自行設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)曝氣推流循環(huán)水養(yǎng)殖模型，以羅非魚(yú)為養(yǎng)殖對(duì)象，在養(yǎng)殖水槽內(nèi)圈養(yǎng)8周，通過(guò)改變曝氣流量，觀察養(yǎng)殖期間羅非魚(yú)的生長(zhǎng)情況，定期稱量魚(yú)的質(zhì)量以及測(cè)量溶解氧、非離子氨、亞硝酸鹽等水質(zhì)參數(shù)，探討水環(huán)境多因子協(xié)同作用對(duì)魚(yú)生長(zhǎng)的影響，并構(gòu)建魚(yú)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，以期為促進(jìn)養(yǎng)殖魚(yú)類的健康發(fā)展、養(yǎng)殖系統(tǒng)的優(yōu)化和養(yǎng)殖效益的提高提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖裝置

室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖模型及設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示，其中，圖1a為養(yǎng)殖循環(huán)水槽俯視圖，圖1b為養(yǎng)殖循環(huán)水槽側(cè)視圖，主要包括：曝氣推流裝置①、養(yǎng)殖水槽單元②、清水區(qū)域③、走道④。整個(gè)模型裝置尺寸為370 cm×310 cm×75 cm（長(zhǎng)×寬×高）。

① 氣推流裝置 ②養(yǎng)殖水槽單元 ③清水區(qū)域 ④走道

①Aeration plug-flow device ②Aquaculture tank unit ③Clear water area ④Aisle

注：為底坡坡度。

Notes:is the slope of the bottom slope.

圖1 室內(nèi)池塘循環(huán)水養(yǎng)殖模型示意圖

Fig.1 Schematic diagram of indoor pond circulating water aquaculture model

曝氣推流裝置的設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括支架1、曝氣裝置2和弧形擋板3。支架1用于支撐并連接弧形擋板和曝氣裝置。支架的長(zhǎng)寬高為正方形，邊長(zhǎng)30 cm。同時(shí)，曝氣裝置2安裝在支架的正下方，主要由一組輸氣管道和5根微氣泡發(fā)生管組成，微氣泡發(fā)生管的物理性質(zhì)如文獻(xiàn)[17]所述。養(yǎng)殖水槽單元②詳細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示，底坡坡度=0.01。把該裝置固定卡放在養(yǎng)殖水槽入口，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)壓力和氣體流量大小，持續(xù)產(chǎn)生大量上浮微氣泡，微氣泡被上方的弧形擋板所阻擋，迫使微氣泡改變?cè)瓉?lái)上浮的路徑，從弧形擋板的前方流出，從而帶動(dòng)水體自下而上、自水槽入口到出口的流動(dòng)。

圖2 曝氣推流裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)魚(yú)及飼養(yǎng)管理

試驗(yàn)魚(yú)為同一品種同齡的尼羅羅非魚(yú)，平均規(guī)格為：體長(zhǎng)(8.93±0.34) cm、質(zhì)量(23.61±3.50) g。為了使羅非魚(yú)適應(yīng)試驗(yàn)室的養(yǎng)殖環(huán)境，在試驗(yàn)開(kāi)展前將健康無(wú)疾病、活力強(qiáng)、規(guī)格整齊的羅非魚(yú)暫養(yǎng)在500 L圓形塑料桶中7 d。采用已充分曝氣的自來(lái)水，以保證自來(lái)水中氯氣基本上完全散逸。暫養(yǎng)期間采用氣泵增氧，并每日保持穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境。

1.支架 2.曝氣裝置 3.弧形擋板

1.Frame 2.Aeration device 3.Arc baffle

圖3 養(yǎng)殖水槽單元示意圖

Fig.3 Schematic diagram of aquaculture tank unit

暫養(yǎng)后選取健康活潑且規(guī)格均勻的羅非魚(yú)隨機(jī)分組放入養(yǎng)殖水槽內(nèi)（220 cm×30 cm×40 cm）進(jìn)行正式試驗(yàn)，每個(gè)養(yǎng)殖水槽內(nèi)養(yǎng)殖15尾魚(yú)。試驗(yàn)以7 d為1個(gè)測(cè)量周期，共8個(gè)測(cè)量周期（56 d）。試驗(yàn)用水為已充分曝氣的自來(lái)水。試驗(yàn)期間水溫由加熱棒控制，保持在（26.7±1.2）℃[18]，pH值保持在7.0～8.0之間，期間不換水，每周僅添加去氯自來(lái)水用于補(bǔ)充蒸發(fā)和水質(zhì)測(cè)定損失的水分。每天在08:30和20:30投喂羅非魚(yú)膨化配合飼料，飼料含有約31%的粗蛋白、0.8%的總磷。每天2次的投喂總量為魚(yú)質(zhì)量的3%左右，投喂半小時(shí)后撈出養(yǎng)殖區(qū)殘餌，計(jì)算殘餌量及實(shí)際攝食量。同時(shí)根據(jù)每個(gè)水槽試驗(yàn)魚(yú)的總質(zhì)量調(diào)整下一周的餌料投喂量。

1.3 試驗(yàn)條件及樣本采集

試驗(yàn)設(shè)置3組不同曝氣流量的試驗(yàn)組，分別為0、30、50 L/min，每組曝氣流量下設(shè)3個(gè)平行養(yǎng)殖水槽單元。溶解氧采用24 h不間斷開(kāi)啟曝氣推流系統(tǒng)的方法控制。分別在第0、7、14、21、28、35、42、49、56 天，測(cè)定水環(huán)境指標(biāo)以及魚(yú)質(zhì)量。溶解氧采用YSI Pro ODO溶氧儀測(cè)定；pH值采用便攜式pH計(jì)測(cè)定；氨氮采用靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定。非離子氨根據(jù)式（1）計(jì)算[19]。

式中為水解常數(shù)，為酸度系數(shù)（=-lg()= 0.090 18+2 729.92/）；pH值為實(shí)測(cè)值；為熱力學(xué)溫度（=1+273.15，1為試驗(yàn)水體溫度，℃）。

用精度為0.01 g的電子稱稱量養(yǎng)殖水槽內(nèi)所有魚(yú)的質(zhì)量，并取平均值為水槽魚(yú)的質(zhì)量。羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式如式（3）和（4）。

特定生長(zhǎng)率(%/d)=(ln末?ln初)/2×100% （3）

食物轉(zhuǎn)化效率(%)=(末?初)/×100% （4）

式中2為1個(gè)測(cè)量周期的天數(shù)，為7 d；末為測(cè)量周期的魚(yú)質(zhì)量，kg；初為該測(cè)量周期初的魚(yú)質(zhì)量，kg；為該測(cè)量周期魚(yú)的總攝食量，kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境單因子對(duì)魚(yú)生長(zhǎng)的影響

圖4a給出了魚(yú)的特定生長(zhǎng)率對(duì)溶解氧質(zhì)量濃度的響應(yīng)。從圖4a可以看出，水中溶解氧質(zhì)量濃度在1.3～7.0 mg/L范圍內(nèi)，隨溶解氧質(zhì)量濃度的增加，羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率增大。通過(guò)分析，溶解氧質(zhì)量濃度與特定生長(zhǎng)率之間的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)，即：=0.231e0.384x，其決定系數(shù)2為0.62，表明相關(guān)性較好。

試驗(yàn)期間通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在高溶解氧情況下，羅非魚(yú)游動(dòng)較快，攝食迅速，且攝食過(guò)程較為劇烈，常使水體劇烈擾動(dòng)發(fā)出聲音；而低溶解氧情況下，羅非魚(yú)常游動(dòng)緩慢，這與楊凱等[7]對(duì)黃顙魚(yú)的研究結(jié)果一致：低氧會(huì)抑制魚(yú)類的攝食活動(dòng)。圖4b給出了魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化效率對(duì)溶解氧質(zhì)量濃度的響應(yīng)。從圖4b可以看出，降低溶解氧質(zhì)量濃度，會(huì)使食物轉(zhuǎn)化效率下降，表明低食物轉(zhuǎn)化效率是低溶解氧導(dǎo)致魚(yú)類生長(zhǎng)速度減緩的結(jié)果之一，與Abdel-Tawwab等[20]研究結(jié)果一致。

Thorarensen等[8]研究發(fā)現(xiàn)溶解氧質(zhì)量濃度顯著影響大比目魚(yú)的生長(zhǎng)速率，當(dāng)氧飽和度從57%增加到100%時(shí)，魚(yú)的生長(zhǎng)速率逐漸增加，而氧飽和度的進(jìn)一步增加不會(huì)改善生長(zhǎng)速率。在本研究中，水體溶解氧質(zhì)量濃度主要來(lái)源于曝氣推流裝置的微氣泡界面與水體的氧傳質(zhì)以及自由表面的湍動(dòng)傳質(zhì)，溶解氧質(zhì)量濃度一般不會(huì)超過(guò)其飽和質(zhì)量濃度。從測(cè)定結(jié)果看出，本研究的結(jié)論與Thorarensen等[8]的研究結(jié)果吻合，均表明在一定范圍內(nèi)溶解氧增加對(duì)魚(yú)生長(zhǎng)有利。

圖4 魚(yú)的特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率對(duì)溶解氧質(zhì)量濃度的響應(yīng)

圖5a給出了魚(yú)的特定生長(zhǎng)率對(duì)非離子氨質(zhì)量濃度的響應(yīng)。從圖5a可以看出，水中非離子氨質(zhì)量濃度在0.001 6～0.025 mg/L范圍內(nèi)，隨非離子氨質(zhì)量濃度增多，羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率減小。通過(guò)分析，非離子氨質(zhì)量濃度與特定生長(zhǎng)率之間的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)，即：=3.42e-113.5x，其決定系數(shù)2為0.54，表明相關(guān)性較好。

圖5 魚(yú)的特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率對(duì)非離子氨質(zhì)量濃度的響應(yīng)

水環(huán)境中氨氮質(zhì)量濃度上升會(huì)抑制魚(yú)體的氨氮排泄[21]，同時(shí)非離子氨會(huì)通過(guò)魚(yú)鰓進(jìn)入魚(yú)體，使血液和組織中氨氮的質(zhì)量濃度升高，進(jìn)而對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生一系列毒性影響[22]。氨氮對(duì)水生動(dòng)物的毒性主要來(lái)源于非離子氨，遠(yuǎn)高于離子氨約300～400倍[23]。Foss等[11]研究用0.39 mg/L的非離子氨處理斑點(diǎn)狼魚(yú)，發(fā)現(xiàn)斑點(diǎn)狼魚(yú)的平均質(zhì)量顯著低于0.000 6和0.13 mg/L處理下的試驗(yàn)組魚(yú)，且隨非離子氨質(zhì)量濃度的增加，攝食量和食物轉(zhuǎn)化效率均下降。圖5b給出了魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化率對(duì)非離子氨質(zhì)量濃度的響應(yīng)。從圖5b可以看出，非離子氨質(zhì)量濃度增加，會(huì)使食物轉(zhuǎn)化效率下降，與Foss等[11]研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，在養(yǎng)殖過(guò)程中，非離子氨增加導(dǎo)致了羅非魚(yú)生長(zhǎng)速度減緩，因此建議定期更換新鮮水體，以確保養(yǎng)殖產(chǎn)量。

圖6a、圖6b分別給出了魚(yú)特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率對(duì)亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的響應(yīng)。從圖6a、6b可以看出，水中亞硝酸鹽質(zhì)量濃度在0.05～0.19 mg/L范圍內(nèi)，點(diǎn)比較分散，且并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，因此本試驗(yàn)中亞硝酸鹽質(zhì)量濃度對(duì)羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率均未產(chǎn)生顯著影響。然而，Siikavuopio等[14]研究發(fā)現(xiàn)，將大西洋鱈魚(yú)養(yǎng)殖在亞硝酸鹽質(zhì)量濃度為0、1、2.5、5 mg/L的水環(huán)境中，31 d后生長(zhǎng)速度隨質(zhì)量濃度升高而降低。本研究可能是由于各試驗(yàn)組亞硝酸鹽質(zhì)量濃度均低于0.2 mg/L，處于安全質(zhì)量濃度，羅非魚(yú)能夠適應(yīng)。

圖6 魚(yú)的特定生長(zhǎng)率和食物轉(zhuǎn)化效率對(duì)亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的響應(yīng)

2.2 水環(huán)境因子協(xié)同作用下的魚(yú)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型

從2.1節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)某個(gè)水環(huán)境單因子建立與魚(yú)特定生長(zhǎng)率的關(guān)系擬合程度不高，因此需要考慮各水環(huán)境因子的協(xié)同作用對(duì)魚(yú)特定生長(zhǎng)率的影響。同時(shí)養(yǎng)殖水體中水環(huán)境因子的變化具有高度非線性和不確定性，使得魚(yú)生長(zhǎng)與各環(huán)境因子之間并不呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因此，本研究隨機(jī)取36組試驗(yàn)結(jié)果為樣本建立模型，取另外12組試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型。模型根據(jù)每一個(gè)養(yǎng)殖周期，選擇每一個(gè)養(yǎng)殖周期初始羅非魚(yú)質(zhì)量、初始養(yǎng)殖密度以及養(yǎng)殖期間溶解氧、非離子氨和亞硝酸鹽平均質(zhì)量濃度作為響應(yīng)因子，以羅非魚(yú)的特定生長(zhǎng)率作為響應(yīng)值，進(jìn)行非線性擬合分析，得到羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率與水環(huán)境因子的關(guān)系如式（5）所示

其中，

式中表示水環(huán)境因子的協(xié)同作用因子；SGR為羅非魚(yú)特定生長(zhǎng)率，%/d；為初始養(yǎng)殖密度，kg/m3；為初始質(zhì)量，kg；DO為溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；NH3為非離子氨質(zhì)量濃度，mg/L；NO2為亞硝酸鹽質(zhì)量濃度，mg/L。

式（5）的決定系數(shù)2為0.82，表明相關(guān)性較好，并且擬合散點(diǎn)和驗(yàn)證散點(diǎn)基本上都落在或圍繞在擬合線周圍（如圖7所示）。

圖7 魚(yú)特定生長(zhǎng)率對(duì)水環(huán)境因子的協(xié)同響應(yīng)

從式（5）－（6）可以看出，魚(yú)的生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)包括了5個(gè)因子的協(xié)同作用，即：、、DO、NH3、NO2。隨著養(yǎng)殖初始魚(yú)質(zhì)量的增加，特定生長(zhǎng)率減小，且呈冪函數(shù)關(guān)系，這符合魚(yú)類前期生長(zhǎng)速度快，后期生長(zhǎng)速度慢的特性[24]。García等[25]研究發(fā)現(xiàn)海鯛的特定生長(zhǎng)率和質(zhì)量之間存在冪函數(shù)關(guān)系SGR=aW，關(guān)系式表示魚(yú)在幼小時(shí)增長(zhǎng)速度更快，與本文分析規(guī)律一致。隨著養(yǎng)殖密度的增加，特定生長(zhǎng)率減小。這是由于養(yǎng)殖密度過(guò)高，會(huì)脅迫魚(yú)群產(chǎn)生一系列的生理生化變化，種內(nèi)空間和餌料競(jìng)爭(zhēng)加劇，為了相互避讓、調(diào)節(jié)生理功能而消耗更多的能量，因而影響魚(yú)的生長(zhǎng)，并降低魚(yú)類的生長(zhǎng)速度[26]。同時(shí)養(yǎng)殖密度的提高還會(huì)帶來(lái)水質(zhì)惡化進(jìn)而影響魚(yú)類的生長(zhǎng)和生存。同時(shí)預(yù)測(cè)模型表明，在一定范圍內(nèi)隨著溶解氧質(zhì)量濃度的增加，特定生長(zhǎng)率與其呈指數(shù)關(guān)系增加[27]。而隨著非離子氨質(zhì)量濃度和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的增加，特定生長(zhǎng)率均與其呈指數(shù)關(guān)系減小。

2.3 魚(yú)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的普適性分析和應(yīng)用

從式（5）－（6）可以看出，SGR與存在一個(gè)線性關(guān)系，即

式中的計(jì)算式等同于式（6），為系數(shù)。

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的普適性并將其推廣應(yīng)用，選取了5篇文獻(xiàn)的工況對(duì)式（6）－（7）進(jìn)行驗(yàn)證。將5篇文獻(xiàn)中的試驗(yàn)條件（見(jiàn)表1）分別代入式（6）－（7），得出相對(duì)應(yīng)的系數(shù)值和，即求得生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，列于表1最后一列。同時(shí)將得到的各工況預(yù)測(cè)SGR值與實(shí)測(cè)SGR值相對(duì)比（如圖8所示），可以看出散點(diǎn)幾乎都能落在=的直線上，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可靠。

表1 生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用

圖8 魚(yú)特定生長(zhǎng)率（SGR）預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際養(yǎng)殖水域中，養(yǎng)殖魚(yú)類的特定生長(zhǎng)率與水域環(huán)境的定量響應(yīng)可以由式（6）和式（7）確定。

本文生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的建立，確定了不同養(yǎng)殖密度、魚(yú)初始質(zhì)量、溶解氧、非離子氨和亞硝酸鹽對(duì)魚(yú)生長(zhǎng)的影響程度，得出了不同水環(huán)境因子變化引起的魚(yú)生長(zhǎng)速度變化。在土地愈發(fā)緊張的現(xiàn)狀下，為了提高養(yǎng)殖水平，集約化養(yǎng)殖多被采用，隨著養(yǎng)殖密度的提高，將會(huì)引起水環(huán)境非離子氨和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度增加，對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生生長(zhǎng)速度降低等惡性影響，可以通過(guò)定期更換新鮮水體、補(bǔ)充溶解氧等措施來(lái)改善水體環(huán)境，保障魚(yú)類健康的生長(zhǎng)。在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，本模型為通過(guò)及時(shí)調(diào)整養(yǎng)殖水域水環(huán)境相關(guān)因子，為快速找到最佳生長(zhǎng)率奠定理論基礎(chǔ)，有助于提高養(yǎng)殖效益。此外，水溫也是影響魚(yú)類健康生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子。不同魚(yú)類有其適應(yīng)的水溫范圍，使其攝食和生長(zhǎng)指標(biāo)均能達(dá)到較優(yōu)值[30]。而本文生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型并未考慮水溫的影響，具有一定的局限性，還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

針對(duì)曝氣推流循環(huán)養(yǎng)殖模式下羅非魚(yú)的生長(zhǎng)情況，進(jìn)行了8周的養(yǎng)殖試驗(yàn)，計(jì)算了羅非魚(yú)食物轉(zhuǎn)化效率以及特定生長(zhǎng)率指標(biāo)，分析了魚(yú)特定生長(zhǎng)率對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)，并得到其生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型。相關(guān)結(jié)論如下：

1）溶解氧質(zhì)量濃度的增加能提高羅非魚(yú)的食物轉(zhuǎn)化效率和生長(zhǎng)速度。因此在循環(huán)水養(yǎng)殖中，可以通過(guò)在一定范圍內(nèi)增加溶解氧的質(zhì)量濃度來(lái)加快養(yǎng)殖速度。

2）非離子氨質(zhì)量濃度的增加會(huì)導(dǎo)致羅非魚(yú)食物轉(zhuǎn)化效率和生長(zhǎng)速度的降低。因此建議定期更換新鮮水體，降低水體中非離子氨的質(zhì)量濃度，以確保養(yǎng)殖產(chǎn)量。

3）建立了養(yǎng)殖水體羅非魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境響應(yīng)模型，2為0.82。模型表示在實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中，可以基于養(yǎng)殖水環(huán)境因子使實(shí)際魚(yú)的生長(zhǎng)速度變得可測(cè)，可依據(jù)該預(yù)測(cè)模型及時(shí)調(diào)整水環(huán)境因子，使養(yǎng)殖魚(yú)類的健康發(fā)展、養(yǎng)殖系統(tǒng)和養(yǎng)殖效益得到盡可能的最優(yōu)化。

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Response model construction of fish growth to water environmental factors in recirculating aquaculture mode

Cheng Xiangju1, Ju Jiaqi1, Hu Jiachun2, Xie Jun3, Yu Deguang3

(1.510641,; 2.510610,; 3.510380,)

With the improvement of aquaculture scale, the disadvantages of traditional aquaculture mode are constantly emerging, including waste and pollution of water sources. On this basis, the recirculating aquaculture system with aeration plug-flow device in pond is an exploration of efficient and energy-saving aquaculture mode, which has been developed rapidly at home and abroad. Water environment, as the place where fish live, is crucial to the growth of fish. A large number of studies have shown that dissolved oxygen, ammonia nitrogen and nitrite are the three important factors that affect the growth of fish. There are synergistic effects among dissolved oxygen, ammonia nitrogen and nitrite. Insufficient dissolved oxygen and high mass concentrations of non-ionic ammonia and nitrite can cause metabolic dysfunction of fish body and decrease of immunity, leading to the occurrence of fish diseases. Therefore, in order to explore the response of fish growth to water environment, and predict the growth rate of fish under the synergistic effect of water environment factors, the experiment was conducted on indoor recirculating aquaculture tilapia test with aerated plug-flow device with a continuous duration of 8 weeks. By changing the aeration flow, three conditions were set up in the experiment to observe the growth of tilapia during the breeding period, and the mass of the fish and water quality parameters such as dissolved oxygen, non-ionic ammonia and nitrite were regularly measured. The results showed that within a certain range, with the increase of dissolved oxygen mass concentration, the food conversion efficiency and specific growth rate of fish increased; with the increase of non-ionic ammonia mass concentration, the food conversion efficiency and specific growth rate of fish decreased. However, due to the small change in nitrite mass concentration and the safe mass concentration range, there was no significant effect on the food conversion efficiency and specific growth rate of fish in this experiment. Based on the results of the experiment, the specific growth rate of tilapia was nonlinearly fitted, and the growth prediction equation of fish was established, with2of 0.82. The validity and universality of the equation were verified by the measured data. The growth prediction equation showed that the increase of the initial mass of fish, stocking density, non-ionic ammonia and nitrite concentration could slow down the growth rate of the fish; while increasing the dissolved oxygen concentration could increase the growth rate of the fish. In the current situation of increasingly tight land, intensive farming is often adopted to improve the level of farming. With the increase of aquaculture density, the concentration of non-ionic ammonia and nitrite in the water environment increases, which have a negative impact on the growth rate of fish. It could improve the water environment and promote the healthy growth of fish by increasing dissolved oxygen. Although this prediction model is obtained under the aeration push flow cycle cultivation mode, it is also applicable to the other aquaculture water modes, making the response of fish growth to measurable water environmental factors, which provides convenience and reference for promoting the healthy development of aquaculture fish, the optimization of aquaculture system and the improvement of aquaculture benefits.

aquaculture; fish; growth; water environment; prediction model; nonlinear fitting

2018-10-30

2019-04-30

國(guó)家自然科學(xué)基金“中小型受污染水庫(kù)滯水層增氧機(jī)理及效應(yīng)研究”（51579106）；2018年促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展專項(xiàng)資金（現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展用途）省級(jí)項(xiàng)目（粵漁2018-07）

程香菊，教授，博士，主要從事湖泊、水庫(kù)、河流、河口、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘等水力與水環(huán)境相關(guān)研究。Email：chengxiangju@scut.edu.cn：

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.022

S9

A

1002-6819(2019)-11-0188-07

程香菊，具家琪，胡佳純，謝 駿，余德光. 循環(huán)水養(yǎng)殖模式下魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)模型構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：188－194. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.022 http://www.tcsae.org

Cheng Xiangju, Ju Jiaqi, Hu Jiachun, Xie Jun, Yu Deguang. Response model construction of fish growth to water environmental factors in recirculating aquaculture mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 188－194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.022 http://www.tcsae.org