Comparison between the catches (Trachurus japonicus and Decapterus maruadsi) around two LED lamps
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摘要:
为了探索节能减排的海洋捕捞作业方式，在中国沿海海域做了白光(偏绿光)发射二极管(LED)水下灯和蓝紫光LED水下灯集鱼试验。对比2种等光能LED集鱼灯周围蓝圆鲹(Decapterus maruadsi)和竹筴鱼(Trachurus japonicus)的渔获，对渔获数据进行t检验分析表明，白光LED灯对蓝圆鲹的光诱效果显著优于蓝紫光LED灯；白光LED灯对竹筴鱼的光诱效果极显著优于蓝紫光LED灯。海上试验结果证实，在实验室水槽中所得的光诱鱼试验结果对海洋捕捞实践具有很好的指导作用。
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关键词:
- 蓝圆鲹 /
- 竹筴鱼 /
- 光诱捕鱼 /
- 光发射二极管(LED)
Abstract:We carried out a series of fishing experiments with two sets of Light Emission Diode (LED) lamps in China coastal waters to explore energy-saving fishery. Comparing the catches of Decapterus maruadsi and Trachurus japonicus around the white-green LED lamp to the catches around the blue LED lamp with t-test analysis, we confirm that the white-green LED lamp is superior to the blue LED lamp for catching D.maruadsi and is vastly superior to the blue LED lamp for catching horse mackerel. Results confirm that light trapping fish experiments findings in laboratory flume can be good guidance to marine fishing practice.
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尽管生物体对光的反应常被认为是一种机体的本能反应[1-2]，但鱼类的光感系统和视网膜上的光接收器很复杂，还远未被人类完全理解[3-5]。为了提高捕鱼效率，人们用挂在船边的人造光源在水下产生光场吸引鱼群。事实上很多经济鱼类会对这种视觉刺激产生反应，并游到光源附近聚集。不同种类的鱼聚集和吸引的程度不同[6-7]，这种不同除了与鱼本身和生态因素有关之外，还受光源的物理因素的影响，特别是光源的强度、波长和频闪光的频率[6, 8]。自然情况下水下光的光谱特性决定于太阳和被太阳照亮的天空，也依赖于水的光学特性。因为水对光具有选择性吸收，所以光谱会随着水深度的增加而逐渐变化[9]。很干净的海水透过率最大是在470 nm处，而沿海区域的水透过率最大在蓝绿波段(500 nm)处，河口水的最大值却在绿光波段(580 nm)[10]。因此，鱼会依据周围的生存环境而调整其光感习性。
中国在20世纪70年代就开始了鱼类趋光特性的研究和总结，在80年代初已经得出了一系列可指导生产实践的结果。一般认为大多数鱼类对蓝绿光的趋光比较明显，譬如蓝圆鲹(Decapterus maruadsi)[11]、枪乌贼(Loligo)[12-13]等。为此，人们特意研发出蓝绿光的灯具去诱捕这类鱼，譬如发蓝绿光的铊铟灯捕鱿效果好于一般的金卤灯。近10年来有学者对已有的海上灯光系统的优化做了一些研究[14-15]，也有从海洋渔业资源保护角度考虑的渔获统计研究等[16-17]，都取得了很好的效果。由于灯具等条件的限制，不同色光的海上灯光集鱼试验较少开展。笔者利用光发射二极管(LED)技术研制了白光(偏绿光)和蓝紫光2种具有等光子辐出度(实际亮度可在一定范围内调节)的LED灯具，选择趋光性较为显著的蓝圆鲹[18]和竹筴鱼(Trachurus japonicus)[19]2种典型的经济鱼类，在海上进行光诱捕鱼试验，对光诱捕鱼效果进行系统的比较，以为灯光诱捕鱼提供参考依据。
1. 试验方法
1.1 试验区域
在中国阳江市东平镇以南约20 km的南鹏岛附近海域(图 1)进行了试验。这里水质清澈，水流缓慢。由于正值休渔期，在获得阳江市渔政部门的许可后乘坐木质渔船(子母船)到达指定区域进行试验。在试验区域内每隔2 km做1次光诱捕鱼试验。
1.2 渔具渔法
试验船是使用普通灯光围网渔船改装，在两舷配有1 kW的普通金卤灯60盏，还配有试验用的水下LED灯和特制的小型无囊围网渔具。LED灯电功率为300 W，2种LED灯的光谱见图 2。蓝紫光LED灯的中心波长在430 nm附近，白光LED灯除了430 nm附近的发光峰外，还有一个较宽的中心波长在520 nm附近的发光峰，白光LED灯光偏绿光。小型围网的主尺度为105 m×35 m，网目尺寸为25 mm，网的下纲有底环等收绞装置。灯光诱鱼试验在夜间进行，共持续3个晚上。试验过程为：1)打开普通金卤灯20 min，将鱼群吸引至试验船附近，然后关闭普通灯光和主机；2)放置水下LED灯具，进行了LED灯光诱鱼试验，灯具使用蓄电池供电；3)约1 h后用小船将网包围住诱鱼灯(半径约15 m)，而后逐渐减小LED灯的光强，并逐渐收网；4)将渔获倒入船舱的浅水池中，统计竹筴鱼和蓝圆鲹的尾数和湿质量。
第1天晚上放下蓝紫光LED灯，进行了蓝紫光LED灯光诱鱼试验。第2天晚上放下白光LED灯进行光诱鱼试验，用长约10 m的杆将LED灯具由船边放入海中，深至海面以下约10 m处。第3天晚上在船头和船尾(相距约30 m)同时放下蓝紫光LED灯和白光LED灯，进行光诱鱼试验约1 h后用2盘小围网分别将这2种LED水下灯围住(范围约10~15 m)，而后收网。由于正值休渔期，测量完成后将所有渔获放归大海。
2. 结果与讨论
2.1 2种灯具单独使用的集鱼效果比较
由于该试验主要集中于蓝圆鲹和竹筴鱼的光诱捕效果比较，所以在此仅给出这2种鱼的有关统计数据。单一种LED集鱼灯对蓝圆鲹和竹筴鱼的渔获数据见表 1。白光集鱼灯每网捕获的蓝圆鲹为(38±21)尾，湿质量(7.1±3.6)kg，每网捕获的竹筴鱼为(16±11)尾，湿质量(2.1±1.1)kg；蓝紫光集鱼灯每网捕获的蓝圆鲹为(27±13)尾，湿质量(4.5±2.5)kg，每网捕获的竹筴鱼为(9±6)尾，湿质量(1.3±0.7)kg。比较可知，蓝紫光集鱼灯的捕鱼效果比白光集鱼灯的捕鱼效果差。
表 1 2种LED灯具单独作业的光诱捕效果比较Table 1. Statistics of catches when LED lamps used separately光色
light color每次渔获 catches 统计结果
stat. of the catches种类 species 数量 number 白(偏绿) green-white 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 41 11 61 56 28 38±21 质量/kg 6.8 2.0 9.3 11.4 5.9 7.1±3.6 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 16 4 16 32 12 16±11 质量/kg 2.0 0.6 2.8 3.4 1.7 2.1±1.1 蓝紫 purple-blue 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 17 16 35 46 21 27±13 质量/kg 2.5 2.8 5.6 8.3 3.4 4.5±2.5 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 5 6 10 18 8 9±6 质量/kg 0.8 0.9 1.7 2.3 1.0 1.3±0.7 一般认为，蓝圆鲹等海洋鱼类对蓝绿光趋光效果比较好[11, 20]。众所周知，人眼对能量相同而波长不同的光，其视觉亮度是不一样的，为此引入视觉曲线，光场照度单位也是lx，而不是W·m-2。人眼的视觉曲线的峰值波长为555 nm，正好对应于地面日光的峰值波长。由于海水对不同波长的光吸收系数不同，不同水层的鱼眼感受到的日光峰值波长有所不同，鱼眼的视觉曲线的峰值波长如人眼一样也会有所不同。沿海区域海水的最大透过率处的波长约为500 nm，在不太深的海水中鱼所感受到的日光的峰值波长应该是在500~555 nm，该峰值波长也就是鱼眼的视觉曲线的峰值波长。浅水区鱼类的视觉曲线可能与人类的视觉曲线接近。若以人类视觉曲线近似替代浅水区鱼类视觉曲线，得到2种LED灯的光谱见图 3。光功率接近的2种集鱼灯，对鱼眼而言其亮度是不同的，白光LED集鱼灯比蓝紫光LED灯更亮。虽然白光LED在550 nm附近发射出的光子数远不如430 nm附近的光子数多，但由于浅水层鱼的眼睛对550 nm附近的光子更敏感，对鱼眼而言，550m附近的光比430 nm附近的光要亮得多[11]，也就是说该白光LED灯所照亮的海水区域更广。相对而言，430 nm附近的等光能灯光比520 nm附近的光集鱼效果差，所以当430 nm的部分光子转换成520 nm附近的光子后集鱼效果更好，能吸引更多的鱼集结在其周围。所以，与等光能的蓝紫光LED灯相比，白光LED灯能获得更好的诱捕效果。
2.2 2种灯具同时使用的诱捕鱼效果比较
蓝紫光LED灯和白光LED同时放入水中作业时蓝圆鲹和竹筴鱼的渔获数据见表 2。白光集鱼灯每网捕获的蓝圆鲹为(36±16)尾，湿质量(5.9±2.8)kg，每网捕获的竹筴鱼为(17±10)尾，湿质量(2.3±1.3)kg；蓝紫光集鱼灯每网捕获的蓝圆鲹为(20±8)尾，湿质量(3.3±1.3)kg，每网捕获的竹筴鱼为(4±3)尾，湿质量(0.5±0.4)kg。蓝紫光集鱼灯的光诱捕鱼效果比白光集鱼灯的光诱捕鱼效果差，这一结果与LED灯单独作业时所得的结果相同。
表 2 2种LED灯具同时放入水中的光诱捕鱼效果比较Table 2. Statistics of catches when LED lamps used synchronously光色
light color每次渔获 catches 统计结果
stat. of the catches种类 species 数量 number 白(偏绿) green-white 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 30 56 46 30 17 36±16 质量/kg 5 9.4 8.1 4.5 2.6 5.9±2.8 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 27 25 13 5 14 17±10 质量/kg 4 3.3 1.8 0.8 1.8 2.3±1.3 蓝紫光 purple-blue 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 18 12 25 31 15 20±8 质量/kg 2.9 1.8 4.6 4.7 2.6 3.3±1.3 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 8 1 4 3 2 4±3 质量/kg 1.1 0.2 0.5 0.5 0.3 0.5±0.4 蓝紫光LED灯和白光集鱼灯同时在水中作业时，蓝紫光LED灯的蓝圆鲹渔获量仅为(20±8)尾[单独作业时为(27±13)尾]，竹筴鱼渔获量仅为(4±3)尾[单独作业时为(9±6)尾]，渔获量显著减少。白光集鱼灯的渔获量几乎不受蓝紫光集鱼灯的影响。这是由于蓝紫光集鱼灯的亮度远不如白光集鱼灯(前者的流明数仅为后者的1/5~1/4)所致。由于两灯相距较近，白光灯的光诱区覆盖了部分蓝紫光灯的有效光诱区，导致该区域的大部分趋光性鱼类游向白光LED灯附近，所以蓝紫光灯的集鱼效果差于单独作业。这与实际的生产经验是相符合的。捕鱼船队的渔民都有类似的经验，如果在自己开灯捕鱼作业的区域附近(数千米范围)有更大功率的光诱捕鱼灯船作业的话，己方渔获必将大受影响。部分渔民为了使自己捕鱼效果不受其他船队灯船的影响，就加大自己灯船的亮度，造成灯船功率不断攀升，形成不必要的浪费。与白光集鱼灯同时在水中作业时，蓝紫光灯的竹筴鱼渔获量将进一步减少。对竹筴鱼而言，两灯同时作业时，白光灯和蓝紫光灯的渔获之比为17 : 4；单独作业时渔获之比为16 : 9。两者存在明显差别。对蓝圆鲹而言，白光灯和蓝紫光灯同时作业时，两灯渔获之比为9 : 5；两灯单独作业时，渔获之比为38 : 27。两者的差别不如竹筴鱼渔获差别显著。这可能是因为竹筴鱼和蓝圆鲹更喜好波长较长的光[21]。在相对较亮的环境中，竹筴鱼对强绿光的喜好更甚于蓝紫光，所以一些原本可能在蓝紫光灯附近集群的竹筴鱼也被白光LED灯吸引过去。
2.3 2种灯具渔获数据的t检验
t检验是推断2种总体均值是否存在显著差异的方法。从2.1和2.2中可以看出等光能的蓝紫光LED灯渔获不如白光LED灯。对2种灯光渔获数据的t检验也证实了蓝紫光LED灯渔获与白光LED灯渔获存在显著差异。将蓝紫光LED灯渔获的10组数据与白光LED灯渔获的10组数据进行t检验，结果见表 3。该检验的F统计量观察值F都小于4.2，对应的概率P值(Sig.)都大于0.05，可认为两总体方差无显著差异。但t统计量对应的双尾概率(Sig.2)都小于0.05，所以可认为两总体的均值存在显著差异，即白光LED灯的渔获平均值显著高于蓝紫光LED灯的渔获。对竹筴鱼渔获的数据，t统计量对应的双尾概率(Sig.2)都小于0.01，所以可认为两总体的均值存在极显著差异，即白光LED灯的渔获平均值极显著高于蓝紫光LED灯的渔获。95%置信区间没有跨0，也从另一角度证实了上述推断。
表 3 对渔获平均等同性的t检验分析结果Table 3. t-test for Equality of Means of catches种类
species一致性检验
L-test for equa.平均值等同性t检验
t-test for equality of means95%置信区间
95% CIDF Sig. t DF Sig.2 MD Std. ED lower upper 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 3.523 0.077 2.189 18 0.042 14.00 0 6.397 0 0.561 0 27.439 0 质量/kg 2.645 0.121 2.245 18 0.038 2.580 0 1.149 3 0.165 5 4.994 5 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 2.847 0.109 3.014 18 0.007 9.900 0 3.284 0 3.000 0 16.800 0 质量/kg 4.111 0.058 3.139 18 0.006 1.290 0 0.410 9 0.426 7 2.153 3 LED新技术的发展使LED的应用从背景、景观照明逐渐渗透到日常照明和工农业生产等多个领域。笔者项目组研制了新型LED水下集鱼灯，并开始了海上的集鱼捕鱼试验。对集鱼试验中2种典型的渔获分析所得结果与前人在实验室水槽进行的光诱鱼试验结果基本一致，证实了实验室模拟的光诱鱼试验所得结果对实际的海洋捕捞有很大的指导意义。研究结果对研制新型LED海洋捕捞装备也具有重要的参考价值和指导意义。虽然目前LED灯的等体积亮度还不如现广泛使用的气体光源，但随着LED技术的发展，其在海洋捕捞领域必然会有更广阔的应用空间。
3. 结论
用2种LED水下集鱼灯在近海区域的光诱捕鱼试验，得到了一些有意义的结果：
1) 光功率相同的蓝紫光LED水下集鱼灯(中心波长为430 nm)比白光LED灯的集鱼效果差。
2) 蓝紫光LED集鱼灯与相距较近(约30 m)的等光功率白光LED灯同时作业时，其光诱捕鱼效果比单独作业时效果更差。
3) 蓝紫光LED集鱼灯与相距较近的等光功率白光LED灯同时作业时，蓝圆鲹渔获量显著低于蓝紫光LED灯单独作业时的渔获量，竹筴鱼渔获量极显著低于蓝紫光LED灯单独作业时的渔获量。
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表 1 2种LED灯具单独作业的光诱捕效果比较
Table 1 Statistics of catches when LED lamps used separately
光色
light color每次渔获 catches 统计结果
stat. of the catches种类 species 数量 number 白(偏绿) green-white 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 41 11 61 56 28 38±21 质量/kg 6.8 2.0 9.3 11.4 5.9 7.1±3.6 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 16 4 16 32 12 16±11 质量/kg 2.0 0.6 2.8 3.4 1.7 2.1±1.1 蓝紫 purple-blue 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 17 16 35 46 21 27±13 质量/kg 2.5 2.8 5.6 8.3 3.4 4.5±2.5 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 5 6 10 18 8 9±6 质量/kg 0.8 0.9 1.7 2.3 1.0 1.3±0.7 
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表 2 2种LED灯具同时放入水中的光诱捕鱼效果比较
Table 2 Statistics of catches when LED lamps used synchronously
光色
light color每次渔获 catches 统计结果
stat. of the catches种类 species 数量 number 白(偏绿) green-white 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 30 56 46 30 17 36±16 质量/kg 5 9.4 8.1 4.5 2.6 5.9±2.8 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 27 25 13 5 14 17±10 质量/kg 4 3.3 1.8 0.8 1.8 2.3±1.3 蓝紫光 purple-blue 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 18 12 25 31 15 20±8 质量/kg 2.9 1.8 4.6 4.7 2.6 3.3±1.3 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 8 1 4 3 2 4±3 质量/kg 1.1 0.2 0.5 0.5 0.3 0.5±0.4
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表 3 对渔获平均等同性的t检验分析结果
Table 3 t-test for Equality of Means of catches
种类
species一致性检验
L-test for equa.平均值等同性t检验
t-test for equality of means95%置信区间
95% CIDF Sig. t DF Sig.2 MD Std. ED lower upper 蓝圆鲹 D.maruadsi 个体/尾 3.523 0.077 2.189 18 0.042 14.00 0 6.397 0 0.561 0 27.439 0 质量/kg 2.645 0.121 2.245 18 0.038 2.580 0 1.149 3 0.165 5 4.994 5 竹筴鱼 T.japonicus 个体/尾 2.847 0.109 3.014 18 0.007 9.900 0 3.284 0 3.000 0 16.800 0 质量/kg 4.111 0.058 3.139 18 0.006 1.290 0 0.410 9 0.426 7 2.153 3
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