單建軍，管崇武，宋紅橋，劉世晶，洪 揚(yáng)，莊保陸

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引言

2019年，中國水產(chǎn)品總量達(dá)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(jí)、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(jī)械化程度高、起魚效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作人員少等優(yōu)點(diǎn)成為解決問題的關(guān)鍵[2-3]。降低魚體損傷率是國內(nèi)外關(guān)于吸魚泵的研究重點(diǎn)之一[2]。劉平等[4]對(duì)離心式吸魚泵的葉輪結(jié)構(gòu)采用CFturbo進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；徐茂森等[5]對(duì)射流式吸魚泵的喉管與噴嘴截面積比進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)和操作方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，但尚無學(xué)者開展吸魚泵損傷綜合評(píng)價(jià)方面的研究。目前關(guān)于損傷評(píng)價(jià)方面主要采用單指標(biāo)分析法，Long等[9]研究了射流式吸魚泵對(duì)鯽魚的魚鰾破損率和肝臟損傷情況進(jìn)行分析；徐茂森等[10-11]研究了射流式吸魚泵對(duì)草魚的呼吸頻率和部分血液指標(biāo)的影響，吳寧等[12]研究了射流式吸魚泵對(duì)草魚的應(yīng)激脅迫和組織損傷。單指標(biāo)分析法屬于確定性方法，具有操作比較簡便，是各種綜合評(píng)價(jià)方法的根本，但評(píng)價(jià)結(jié)果偏于概況，僅反映最差因子狀況[13]。吸魚泵對(duì)魚損傷影響因素比較多，損傷指標(biāo)的評(píng)價(jià)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(shù)[15]等方式進(jìn)行體表損傷評(píng)價(jià)，有采用解剖鏡檢法和抽血檢測血液指標(biāo)進(jìn)行內(nèi)部臟器損傷評(píng)價(jià)，對(duì)損傷指標(biāo)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(píng)價(jià)模型，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行客觀篩選。主成分分析法是一種同時(shí)對(duì)多變量進(jìn)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(chǔ)上，采用此方法對(duì)吸魚泵的損傷進(jìn)行相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行賦值分析，避免了主觀性。

本研究為了提高吸魚泵對(duì)魚損傷評(píng)價(jià)的客觀性和公正性，采用主成分分析法對(duì)損傷指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，建立損傷綜合評(píng)價(jià)模型，并以鯽魚(Carassius auratus)為例，選用單罐真空吸魚泵進(jìn)行鯽魚的吸捕試驗(yàn)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的真空式吸魚泵研發(fā)和損傷評(píng)價(jià)奠定良好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 損傷評(píng)價(jià)綜合模型構(gòu)建

魚類在經(jīng)過吸魚泵時(shí)可能會(huì)受到機(jī)械損傷和壓力損傷，可能會(huì)導(dǎo)致鱗片脫落、鰭條受損、魚鰾破裂、肝臟腎臟受損、魚游動(dòng)平衡破壞等后果[10]。這些損傷表征現(xiàn)象相互獨(dú)立但又互有聯(lián)系，需要采用數(shù)學(xué)分析結(jié)合每種測定方法，才能確切反映其真實(shí)損傷情況。目前，對(duì)損傷情況通常采用單指標(biāo)分析法，逐一對(duì)比每個(gè)指標(biāo)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(duì)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(jì)分析方法，在水體富營養(yǎng)化分析評(píng)價(jià)[17-18]、養(yǎng)殖品種品質(zhì)評(píng)價(jià)[19]方面獲得了一些成果，為了客觀評(píng)價(jià)吸魚泵對(duì)魚的損傷情況，揭示不同損傷指標(biāo)在整體損傷評(píng)價(jià)中影響大小，采用主成分分析法構(gòu)建損傷綜合評(píng)價(jià)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(duì)原始數(shù)據(jù)變量相關(guān)系數(shù)矩陣或協(xié)方差矩陣相關(guān)關(guān)系的研究，從眾多原始變量中找出幾個(gè)綜合性強(qiáng)的變量來替代原始變量，新的綜合變量之間不僅互不相關(guān)，而且保留了原始變量的絕大部分信息，最終實(shí)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(jì)算推導(dǎo)出損傷評(píng)價(jià)主成分的表達(dá)式，其計(jì)算方法見公式(1)。

式中，F(xiàn)i為第i個(gè)主成分的損傷評(píng)價(jià)得分；ai1、ai2、…、aip為前i個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量；X1、X2、…、Xp為預(yù)處理后各損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本向量。

利用方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，對(duì)i個(gè)主成分得分進(jìn)行加權(quán)綜合，取得損傷綜合評(píng)價(jià)表達(dá)式，其計(jì)算方法見公式(2)。

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

通過公式(2)建立一個(gè)關(guān)于吸魚泵損傷綜合評(píng)價(jià)模型，將試驗(yàn)取得原始數(shù)據(jù)按上述方法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS計(jì)算分析，可得到損傷綜合主成分值F，根據(jù)F值大小進(jìn)行損傷程度綜合對(duì)比排序。

1.2 真空式吸魚泵損傷試驗(yàn)的試驗(yàn)用魚和試驗(yàn)裝置

選用鯽魚為試驗(yàn)對(duì)象，取自中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)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(jìn)行，試驗(yàn)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(gè)水體約2 m3的玻璃鋼魚池暫養(yǎng)3天，每個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)，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(gè)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(dāng)吸魚泵處于吸氣工況時(shí)，拍門在大氣壓以及罐體負(fù)壓的作用下緊貼罐體的出口，以保證罐體的密封。當(dāng)進(jìn)行排水工況時(shí)，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(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

根據(jù)表1，將各試驗(yàn)組對(duì)應(yīng)魚池內(nèi)的魚短時(shí)間內(nèi)將魚池內(nèi)的魚重復(fù)抽吸不同次數(shù)，達(dá)到設(shè)置3組不同程度魚的損傷效果以進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。在開始試驗(yàn)時(shí)魚池內(nèi)用圍網(wǎng)將魚固定在相對(duì)較小的空間內(nèi)，在按試驗(yàn)設(shè)計(jì)用泵將魚重復(fù)抽吸數(shù)次后，按要求挑選6尾魚進(jìn)行拍照計(jì)算體表損傷程度，然后抽血進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)檢測；對(duì)照組則不經(jīng)過吸魚泵，在魚池里隨機(jī)撈取6尾魚進(jìn)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(dòng)狀態(tài)和1天后的存活率。

表1 試驗(yàn)分組條件

在試驗(yàn)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(xì)胞稀釋液和白細(xì)胞稀釋液進(jìn)行紅細(xì)胞和白細(xì)胞計(jì)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(biāo)外，還對(duì)魚體表鱗片脫落、碰傷撞傷等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過將麻醉后的魚放置在手機(jī)固定支架上，固定位置和放大倍數(shù)進(jìn)行拍照，拍照后通過魚類損傷面積計(jì)數(shù)軟件進(jìn)行魚體表面積統(tǒng)計(jì)和損傷面積統(tǒng)計(jì)，魚體表損傷面積比以損傷面積與體表總面積的比值計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，組間比較采用單因素方差分析和LSD檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異顯著，使用Excel軟件應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20.0進(jìn)行主成分分析及數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 損傷指標(biāo)變化情況

各試驗(yàn)組和對(duì)照組關(guān)于損傷指標(biāo)的檢測結(jié)果如表2所示，A組魚的體表損傷率與對(duì)照組無顯著差異，C組顯著高于其他組，表明短時(shí)重復(fù)進(jìn)入吸魚泵對(duì)魚的體表有較明顯損傷情況發(fā)生。各試驗(yàn)組和對(duì)照組在試驗(yàn)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(dòng)狀態(tài)，并在暫養(yǎng)時(shí)間達(dá)到后進(jìn)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(yàn)組和對(duì)照組的損傷指標(biāo)變化情況

紅細(xì)胞數(shù)和白細(xì)胞數(shù)各試驗(yàn)組與對(duì)照組無顯著差異，但隨著重復(fù)進(jìn)入吸魚泵次數(shù)的增加，魚血液中白細(xì)胞顯明顯上升趨勢，白細(xì)胞是魚類體內(nèi)一種能吞噬異物、具有免疫和自我保護(hù)能力的物質(zhì)，C組顯著高于A組，表明多次抽吸造成對(duì)魚有應(yīng)激影響，導(dǎo)致白細(xì)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(duì)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(biāo)，在本試驗(yàn)中，3個(gè)指標(biāo)在3個(gè)試驗(yàn)組間均無顯著差異，表明真空泵吸魚泵的吸抽對(duì)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(píng)價(jià)

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

表3 解決的總方差

每個(gè)主成分都可以由體表損傷面積比、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、白細(xì)胞計(jì)數(shù)、SOD活力、ALT活力、Cr含量這6個(gè)指標(biāo)的線性組合構(gòu)成一個(gè)固定的表達(dá)式來體現(xiàn)，且每個(gè)主成分只有少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)的載荷量較大，載荷量越大的指標(biāo)，與主成分的相關(guān)性越強(qiáng)。從表4可以看出，第一主成分F1的貢獻(xiàn)率為34.659%，體表損傷面積比和白細(xì)胞數(shù)的載荷量均在0.840以上，說明第一主成分與這2個(gè)指標(biāo)有著很強(qiáng)的相關(guān)性；第二主成分F2的貢獻(xiàn)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(gè)指標(biāo)的信息；第三主成分F3的貢獻(xiàn)率為18.122%，與其關(guān)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(yīng)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(gè)特征向量，作為預(yù)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(dá)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(jié)合上式計(jì)算取得關(guān)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(jì)算綜合主成分值，并對(duì)其按綜合主成分值進(jìn)行排序，即可對(duì)各試驗(yàn)組魚的損傷情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合得分越高則損傷程度越高，結(jié)果見表5。從表5可以看出C組的損傷情況最嚴(yán)重，這與原試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求結(jié)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(yīng)用

在解決實(shí)際問題和研究中，經(jīng)常會(huì)對(duì)研究對(duì)象盡可能收集更多的信息，以期對(duì)問題有一個(gè)全面綜合的認(rèn)識(shí)，但是由于理論發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)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(yīng)采用主成分分析[21]。隨著漁業(yè)技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展和深入，主成分分析法在漁業(yè)研究和應(yīng)用中占有一定地位[22]。已經(jīng)有多位學(xué)者應(yīng)用該方法進(jìn)行養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)[23]、底質(zhì)改良機(jī)運(yùn)行效果[24]等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，取得不錯(cuò)的應(yīng)用效果。在傳統(tǒng)吸魚泵的損傷評(píng)價(jià)中通常采用單指標(biāo)分析法，即逐一對(duì)比每個(gè)指標(biāo)的高低，分析過程簡單，但僅考慮評(píng)價(jià)對(duì)象單個(gè)指標(biāo)含量的變化，不能充分反映其綜合指標(biāo)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(píng)價(jià)的重要因子，從魚體體表損傷面積比、內(nèi)部臟器損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)、生理應(yīng)激反應(yīng)指標(biāo)等方面展開吸魚泵對(duì)魚體的損傷情況評(píng)價(jià)研究，利用各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，去除重疊信息，在確保原始指標(biāo)信息量丟失最小的原則下，將原始指標(biāo)縮減成簡化成3個(gè)反映原始指標(biāo)大部分信息的主成分綜合因子，這3個(gè)主成分綜合因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到78.232%，可以代表原始損傷指標(biāo)的大部分信息，綜合得分也很好的反應(yīng)了損傷評(píng)價(jià)的排序等級(jí)。表明主成分分析法作為吸魚泵對(duì)魚的損傷評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)及損傷指標(biāo)的選擇

吸魚泵的種類繁多，真空式吸魚泵是吸魚設(shè)備中較為理想的一種設(shè)備[25]，其基本原理是通過運(yùn)用罐體內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境對(duì)魚體進(jìn)行抽吸，但若控制不好負(fù)壓將還是會(huì)對(duì)魚體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷[2]。開發(fā)出結(jié)構(gòu)、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(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]，在本試驗(yàn)中，A組經(jīng)單次抽吸，魚體表的損傷面積比為(0.78±0.24)%，對(duì)魚體的體表損傷低于射流式吸魚泵[5,10,12]。在試驗(yàn)結(jié)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(dá)到100%，表明真空式吸魚泵對(duì)魚的表觀損傷影響較小。

魚類的血液反映了魚類機(jī)體非特異性免疫和特異性免疫機(jī)能的變化，相關(guān)參數(shù)是診斷疾病和評(píng)價(jià)健康狀況的重要指標(biāo)[26]。其中白細(xì)胞的主要作用是保護(hù)機(jī)體，抵御病害的侵襲，在出現(xiàn)炎癥或損傷時(shí)，數(shù)量會(huì)有顯著變化[27]，在本試驗(yàn)中隨著重復(fù)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(xì)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(duì)魚產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，刺激魚體免疫機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)，造成數(shù)量快速升高。SOD活力高低變化可指示魚受應(yīng)激水平[28-29]，在本研究中，各試驗(yàn)組SOD活力均高于對(duì)照組，其中B組顯著高于對(duì)照組，表明經(jīng)吸魚泵抽吸后，魚體對(duì)抗氧自由基的能力有所提高，負(fù)壓的應(yīng)激造成魚機(jī)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(yīng)激對(duì)機(jī)體的損傷，其活力的升高是對(duì)自由基積累的響應(yīng)[30-31]，表明吸魚泵的抽吸操作對(duì)魚有一定的氧化應(yīng)激。ALT活力是指標(biāo)肝功能損傷的血液學(xué)指標(biāo)[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(duì)鯽魚肝臟造成較嚴(yán)重的損傷。在本研究中，各試驗(yàn)組的ALT活力均低于對(duì)照組，表明吸魚泵的抽吸操作并沒對(duì)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(yīng)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(xiàng)指標(biāo)[30,32]，本研究中各試驗(yàn)組和對(duì)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(duì)鯽魚的腎臟無損傷影響，Cr含量指標(biāo)對(duì)于損傷評(píng)價(jià)意義不大。

4 結(jié)論

真空式吸魚泵在正常抽吸情況下對(duì)魚的損傷情況與對(duì)照組無顯著差異，采用本研究的主成分分析法構(gòu)建其損傷評(píng)價(jià)綜合評(píng)價(jià)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(duì)照組得分較為接近，表明其對(duì)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(duì)照組，表明連續(xù)抽吸對(duì)魚造成較大的損傷影響，該損傷綜合評(píng)價(jià)模型為后續(xù)吸魚泵的改進(jìn)研究提供有力參考。