宋昌斌 | LED灯具在工厂化水产养殖的应用情况
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【国家重点研发计划项目（2017YFB0404003）资助的课题】
我国是世界水产养殖第一大国，水产养殖产量占世界水产养殖产量的70%以上[1]。2016年我国全社会渔业经济总产值23662.29亿元，水产品总产量6901.25万吨。养殖产量5142.39万吨，同比增长4.14%；捕捞产量1758.86万吨，同比降低0.16%，养殖产品与捕捞产品的产量比例为74.5∶25.5[2]；中国是世界上唯一养殖产量超过捕捞产量的渔业大国，可见水产养殖业不仅在中国，在世界上也占据着重要的地位。近年来，工厂化水产养殖对光照的要求越来越高。LED灯具由于具有小体积、长寿命、光效高、可控性好等优点，其在工厂化水产养殖光照中的应用具有潜在的优势，因此近几年来备受业界的关注。
1 工厂化水产养殖的现状
我国海淡水产养殖面积2016年达到8346千公顷[2]，主要是池塘、网箱、湖面养殖等方式，这些室外天然养殖依靠阳光。工厂化养殖占全部养殖面积千分之一，但需要人工光照。从全国工厂化养殖单产数据可看出，许多地区的工厂化养殖的状况是“人工养殖池+厂房外壳”，设施设备投入少且单产较低。由传统的养殖转向工业化的生产，是推进中国养殖业走上现代化的必由之路。
受水处理成本的压力，我国水产养殖模式仍主要以流水养殖、半封闭循环水养殖为主，真正意义上的全循环水养殖工厂的比例极少。流水养殖和半封闭养殖方式产量低、耗能大、效率低，与先进国家技术密集型的循环水养殖系统相比，无论在设备、工艺、产量和效益等方面都存在相当大的差距，技术应用还属于工厂化养殖的初级阶段。工业化养鱼虾贝是指集现代工业技术于一体的工厂化、集约化养殖模式。由于这个是依托现代工业基础建立起来的集约化养殖模式，包括LED光照系统的先进养殖装备，单位水体养殖密度高，产量高，养殖环境全过程采用工业化操作控制。质量安全等容易保障，产品做到均衡上市，所以被国际公认为现代海水养殖产业的发展方向[3]。采用普通流水养鱼，生产1 kg鱼需要消耗200—300 m3的天然水，采用工厂化循环水系统养殖，用水率是流水方式的1/80—1/25[4]，并且少量排放的养殖废水经过处理后可实现资源化利用和无公害化排放，对环境不产生污染。
2 光照在工厂化水产养殖的重要作用
光作为一种生态因子能量进入水域生态系统，不仅为鱼类带来必须的水生动植物能量，而且可以独立的对鱼类的摄食、生殖、内分泌起着直接或间接地重要的影响。随着半导体技术的发展，各种波长、大小功率的LED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，促进鱼类生长，而且可以调控鱼类的性腺发育，获得绿色高品质的食品。水产养殖日益需求高技术集约工业化的支撑，其中包括营造科学的人工光环境，用好对鱼类代谢系统起作用的光照因子。现代工厂化水产养殖光照是指按照鱼类光环境需求规律和水产养殖的生产目标要求，利用人工光创造适宜光环境或弥补自然光照的不足，调控鱼类的生长发育和繁殖，以实现水产养殖业“优质、高产、生态、安全”生产目标的一种农艺物理措施。
3 工厂化水产养殖车间的光照现状
目前相对于水系统处理、营养饵料研发、育苗技术研究及病害防治，光照对鱼生长与生殖的影响研究比较少，对在水产养殖车间光源的使用更是简单粗放，绝大多数养殖工厂建成时没有二次光照深度设计。长期以来，在工厂化养殖车间使用的人工光源绝大多数使用的是传统光源。主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是光效低、防水等级低、能耗大、运行成本高。使用荧光灯，不能调光。
民用建筑室内常用的直管荧光灯，紧凑型单端荧光灯。这种光源目前优势是购买方便、安装简便。可是在养殖行业使用这种光源带来的问题很多，甚至是不能克服的问题。一是这种产品平均寿命在1万小时左右，但在潮湿环境下，寿命往往几千个小时，在鱼池上方换灯极不方便。二是这种气体放电灯不能调光，光要素不能满足个体鱼类在不同生长时期光需求调控等诸多问题。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，人食用汞污染鱼后造成二次危害，若渗入地下会污染大约180吨水[5]。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。粗放的光环境是商品鱼孵化率低、营养生长率低，饵料系数高的原因之一。最后一点传统光源没有智能控制，瞬间开关致鱼应激反应，造成鱼免疫力下降，严重导致死亡。
4工厂化水产养殖LED灯具要求
由于水产养殖车间养殖池、生物滤池等设施有大量的流动循环水，而且有的养殖品种是海水鱼，因此车间湿度都会达到90%以上，盐度都在30左右[4]，而且灯具安装在养殖池流水上方不容易更换，所以要求这些灯具的寿命达到3万小时，防护等级IP65，防腐等级WF2。运用有线及无线两种组网通信技术，其中有线网络采用RS485组网技术，无线网络采用Zigbee自组网技术，可实现单灯及集群控制，达到渐亮渐灭等功能。无论选择线型灯、还是点光源组成的灯型，主要考虑的依据是养殖池几何形状与灯具的配光曲线。有时选择球泡灯、线型管灯主要是从成本角度考虑，因为这两种灯型是全球室内功能性照明的主力灯型，产销量量巨大，所以其成本较低。但球泡灯头必须是密闭防水，T8或T5管需要加上透明的PC三防罩。随着市场的扩大，可以针对性的设计专用的LED水产光照灯具。
5 工厂化水产养殖 LED灯具的市场规模推算
工厂化水产养殖养殖池面积没有统一标准，比如长春鳇鱼养殖池10 m2，江苏淮安鲟鱼每个池15 m2，天津牙鲆每个池20 m2，山东莱州半滑舌鳎40 m2[6]取大致平均数每个池20 m2，工厂化水产养殖面积在2016年的统计值是6554.83万m2[2]，20 m2一盏灯，需330万盏。养殖车间所用灯型主要有球泡灯、线型灯、投光灯、工矿灯，功率视不同养殖品种、安装高度，一般在20—80 W。取大致的平均价格500元/盏，则LED灯具加上智能控制系统，潜在市场规模至少16.5亿元，如表1、图1所示。
表1 2008—2016全国水产工厂化养殖面积[2]
年份 | 总面积/万m2 | 增长率/% | 海水面积/万m2 | 淡水面积/万m2 |
2008 | 2907 | — | 974 | 1930 |
2009 | 3301 | 13.6 | 1236 | 2065 |
2010 | 3855 | 16.8 | 1261 | 2594 |
2011 | 3597 | －6.7 | 1490 | 2107 |
2012 | 4504 | 25.2 | 1924 | 2580 |
2013 | 4974 | 10.4 | 2172 | 2802 |
2014 | 5833 | 17.2 | 2565 | 3268 |
2015 | 6010 | 3 | 2694 | 3316 |
2016 | 6555 | 9 | 2831 | 3724 |
6 工厂化水产养殖LED灯具增长潜力
2016年我国养殖产量5142.39万吨，工厂化养殖总产量约为40.66万吨，占我国水产养殖总产量的0.79%[2]，总体所占比重仍然较小。2017年我国在水产养殖行业对内陆湖泊、水库以及近海网箱养殖无序发展实施严厉的环保风暴[7]，预计今后工厂化循环水清洁养殖规模的增速会加快。全国水产工厂化养殖面积2008年、2016年统计值分别为2907万m2、6554.83万m2，年平均增加值15.69%。所以LED灯具增长潜力年增加值：16.5亿×15.69%=2.59亿元。这是个理想LED灯具年增加数值，主要原因是目前仅养殖的名特水产品种有40多种[1]，LED对这些品种作用的光生物学机理与效用规律知之甚少。养殖厂家不知道什么光环境对其养殖的品种某些新陈代谢起作用。而LED制造、工程商家对这个环节也缺乏相关知识，这中间需要科研院所的实验数据，和专家经验的支持。比如中国科学院海洋研究所开展的大西洋鲑性腺发育、皱纹盘鲍幼虫发育实验，发现光周期是影响大西洋鲑性腺发育的主效因子[8]、蓝绿光显著提高担轮幼虫发育率[9]。大连某公司养殖的黄条鰤车间每个池子的面积56 m2，共130个养殖池的LED光照就是在科研单位的指导下完成的。
图1全国水产工厂化养殖面积增长图[2]
7 结束语
国家《“十三五”农业科技发展规划》指出渔业急需转型升级，提质增效，减量增收。水产养殖业必须向工业化方向发展。LED科学光照是水产向工业化转型升级的一个组成部分。采用LED光源，设计适宜工厂化水产养殖人工光环境，充实促进水生物的生理节律、摄食行为、生长发育、繁殖性能健康发展的技术体系，必将有效推进LED灯具在陆基水产养殖工业化的应用，实现水产养殖业“优质、高产、生态、安全”生产目标。
参考文献
[1]王卫民，温海深.名特水产动物养殖学[M].中国农业出版社，2017.
[2]农业部渔业渔政管理局.2016年全国渔业统计年鉴[M].中国农业出版社,2017.
[3]刘鹰，朱松明，李勇.水产工业化养殖的理论与实践[M].海洋出版社，2014.
[4]刘鹰，曲克明.封闭循环水养殖[M].现代教育出版社，2009.
[5]宋昌斌，仇登高，王军喜，等.LED光源在封闭循环水养殖业的应用分析[J].照明工程学报,2013,24(增刊):128.
[6] 刘冶平，杨春桥，郭贵良，等.工厂化养殖鳇鱼技术探究[J].科学养鱼，2016，5:34.
[7]赵娜，王琳琳，吕望舒.加快推进水产养殖业绿色发展.中国环境报，2018-03-19.
[8]QIU Denggao, XU Shihong, SONG Changbin. Effects of spectral composition, photoperiod and light intensity on the gonadal development of Atlantic salmon Salmo salar in recirculating aquaculture systems (RAS). Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2014，10：45.
[9]高霄龙，李贤，张墨，等.养殖皱纹盘鲍人工育苗LED光质及光照时期优选.农业工程学报，2015，12：229.
作者简介
宋昌斌，中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心高级工程师，研究方向是半导体特种照明应用。中国照明学会高级会员，主持或参加科技部863“LED非视觉照明技术研究”、“植物工厂LED节能光源及光环境智能控制技术”、中科院交叉团队“海水工业化精准生产的关键基础问题研究”项目。在《Aquaculture》、《照明工程学报》、《作物》等杂志发表近20篇文章，拥有三项发明专利。获农业部中华农业科技等三次省部级研究成果奖。
▌全文刊载于《照明工程学报》2018年第29卷第2期
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