不同體長南美白對蝦攝食發聲信號的變化規律

曹正良，王秀秀，李釗丞，沈夢庭，胡慶松，吳迪*

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

對蝦是一種具有較好經濟效益的水產養殖種類[1]。南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)因具有抗病性強、生長快和肉質鮮美等優點，已成為對蝦主要養殖品種之一[2]。提升養殖產量、降低肉飼比是對蝦養殖的重要研究內容。目前，在對蝦養殖中，對蝦主要依賴飼料托盤觀察攝食[3]，由于蝦塘水體環境渾濁復雜，通過人工很難準確掌握對蝦攝食情況，需要使用其他技術手段加以觀測。

近年來，被動聲學技術逐漸應用到對蝦養殖的飼料投喂與生長管理中。Silva等[4]研究表明，南美白對蝦攝食時大顎閉合碰撞摩擦會產生聲音，攝食前后聲音信號特征不同[5-6]，因此，可通過對蝦攝食聲音信號特征判斷其攝食及行為狀態。被動聲學技術作為一種對生物無干擾監測方法，受蝦塘水體環境影響較少，可應用于包括對蝦在內的水中生物的發聲研究[7-9]。目前，基于被動聲學技術的自動聲學投餌器已應用于實際生產，有效改善了飼料管理能力，提高了對蝦的養殖效益[10-12]。研究對蝦攝食發聲信號特征，判斷對蝦攝食情況與行為狀態[9，13]，了解對蝦的攝食發聲行為規律，有助于構建科學智能的飼養管理體系，提升對蝦養殖產量[14-16]。

本研究中，以5種不同體長的南美白對蝦為研究對象，采集南美白對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的聲音信息，通過聲學信號及單因素方差分析，確定5種體長的南美白對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼時發聲信號的變化規律及二者差異特征，以期為精細化對蝦養殖及智能投餌機等的應用開發提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用蝦選取養殖大池(直徑3.4 m、高1.2 m)中培育的從幼蝦至成蝦5個生長階段(體長2～3、4～5、6～7、8～9、9～10 cm)的南美白對蝦，養殖水體溫度、鹽度、溶解氧和飼料無機鹽均維持在適宜范圍內，即24 h持續通氧，溫度為28 ℃。試驗前，將對蝦放置在與養殖大池水體環境一致的水箱(44 cm×28 cm×30 cm)中暫養，禁食20 h，確保試驗時對蝦有足夠的攝食欲望。試驗時，隨機挑選一組對蝦(3尾)放入聲學試驗玻璃水箱(44 cm×28 cm×30 cm)，保持與之前一樣的水環境，分別投喂粒徑為1.2 mm的顆粒飼料及蝦殼，一組體長對蝦試驗結束后，更換另一組體長對蝦進行試驗。試驗玻璃水箱外表面覆蓋黑色薄膜，同時在地面墊一層泡沫以減少環境噪聲干擾，每個水箱中均配有一個加熱棒和增氧管(圖1)。

圖1 試驗裝置Fig.1 Equipment of experiment

試驗所用裝置為大疆水下攝像機和聲音采集裝置。聲音采集裝置由帶有儲存卡的SM4型聲音記錄儀和1個HTI-96-Min水聽器組成(圖2)。水聽器可接收帶寬(2 Hz～30 kHz)聲音，可以捕捉到對蝦攝食時的聲音，SM4型聲音記錄儀用于儲存對蝦攝食聲音。南美白對蝦從幼蝦至成蝦的最高攝食發聲頻率為40～48 kHz，因此，本研究中采樣頻率設置為96 kHz，儲存格式為.wav。

圖2 聲音采集裝置Fig.2 Sound acquisition device

1.2 方法

1.2.1 數據采集 采集數據時關閉增氧機，開啟與水聽器連接的SM4型聲音記錄儀，將水下攝像機置于相應位置并開啟錄制。等待約5 min對蝦適應環境后，取15顆粒徑為1.2 mm的顆粒飼料(或蝦殼)潤濕后投入水聽器下方，記錄對蝦攝食時間，攝食后8～10 min時結束信號采集，之后進入下一組體長對蝦攝食試驗。通過對蝦攝食飼料與蝦殼的音頻與視頻信息對比，確定對蝦攝食信號與行為活動的關系。

1.2.2 發聲信號特征分析 使用 Matlab R2019b軟件分析對蝦攝食顆粒飼料和蝦殼的音頻信息，挑選有效音頻數據對其時間序列信號采用傅里葉變換，分析信號中不同頻率成分及信號特征[5]。離散時間傅里葉變換計算公式[25]為

(1)

式中：n為變換長度；ω為角頻率；X為時域信號x的傅里葉變換(即頻譜)。本文中，信號處理的采樣頻率為96 kHz，增益為20 dB，進行時頻分析時按信號波形總時間的1/50分時窗，并利用Matlab中的Spectrogram 函數進行時頻圖的繪制。最后確定代表信號特征的各類聲學參數。

1.3 數據處理

使用Matlab進行函數定義，將對應對蝦攝食聲學參數嵌套入單因素方差分析數學模型Analysis of Variance中[26]，顯著性水平設為0.05，即

MF58是軸向引線玻璃封裝型，阻值范圍0.1～5000KΩ，體積小、穩定性好、可靠性高，使用溫度范圍-40～+300℃，熱感應快、靈敏度高。

(2)

式中：X為測量值；μ為真值；ε為誤差。

由于使用單因素方差分析時，數據需符合正態分布條件，因此，首先對所得到的5種體長對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼發聲的最低頻率、最高頻率、峰值頻率及單個脈沖信號時長等4項聲學參數值的統計數據進行Lilliefors[27]檢驗，即

(3)

式中：D*為檢驗統計量；F^(x)為平均值為0、標準差為1的正態分布累積分布函數；G(x)為經驗分布函數值。

2 結果與分析

2.1 攝食聲學參數數據的確定

將不同體長對蝦攝食的音頻數據經過傅里葉變換后得到其攝食的時頻、波形和頻譜圖。對各組9～10 cm的對蝦觀察采集到的信號發現，投餌前發聲信號非常少，投餌后發聲信號數量顯著增加(圖3(a))，可以確定為對蝦攝食發聲信號。選取其中一個波形信號放大觀察(圖3(b))，對蝦單個攝食發聲信號時長約22 ms，結合時頻圖和頻譜圖(圖3(c)、(d))，確定對蝦攝食發聲信號的主要頻率為5～13 kHz，峰值頻率約7 kHz。同時還觀察到，對蝦攝食期間會產生較高的能量(圖3(c))，波形和頻率均有一定起伏變化。采用同樣的方式，對其余4種體長對蝦攝食聲學數據進行分析，得到所有體長對蝦的攝食聲學參數。

圖3 體長9～10 cm對蝦的聲學信號特征Fig.3 Acoustic signals characteristics of the shrimp with body length of 9-10 cm

2.2 體長與對蝦攝食聲學參數數據的方差分析

根據Lilliefors檢驗結果(表1)，獲取的所有體長對蝦的4項聲學參數均滿足正態分布，因此，可以對試驗數據進行單因素方差分析。

表1 Lilliefors檢驗Tab.1 Lilliefors test

對5種體長(2～3、4～5、6～7、8～9、9～10 cm)對蝦攝食同一粒徑顆粒飼料與蝦殼的4項聲學參數數據進行方差分析顯示，對蝦體長均極顯著影響對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的4項聲學參數(P<0.01)(表2和表3)。

表2 5種體長對蝦攝食顆粒飼料聲學參數的單因素方差分析Tab.2 Single factor variance analysis of acoustic parameters in the shrimp with 5 body length fed the pellets

表3 5種體長對蝦攝食蝦殼聲學參數的單因素方差分析Tab.3 Single factor variance analysis of acoustic parameters in the shrimp with 5 body length fed the shrimp shell

2.3 發聲頻率的變化

2.3.1 峰值頻率變化趨勢 從圖4可見：對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率隨對蝦體長的增加而降低(擬合方程為1/y=0.181 1-0.140 65/x，R=0.999 6)；對蝦體長為2～3 cm時，發聲峰值頻率最高(約25 kHz)，明顯高于其他體長；對蝦體長為9～10 cm時，發聲峰值頻率最低(約7 kHz)；對蝦體長從2～3 cm變化至4～5 cm時，發聲峰值頻率降低較顯著，對蝦體長從4～5 cm變化至9～10 cm時，發聲峰值頻率變化較小，總體呈緩慢降低趨勢。

對蝦攝食蝦殼的發聲峰值頻率隨體長增加無明顯變化規律(擬合方程為y=8.856 4 e0.077 682x，R=0.432 2)；對蝦體長為2～3、8～9、9～10 cm時，發聲峰值頻率相對較高(分別約13.4、14.8、14.4 kHz)；對蝦體長為4～5、6～7 cm時，發聲峰值頻率相對較低(約9 kHz)(圖4)。

2.3.2 發聲頻率范圍變化趨勢 從圖5可見：對蝦攝食顆粒飼料的頻率范圍隨對蝦體長的增加而縮??；發聲最大頻率隨體長的增加顯著降低(擬合方程為y=11.539 2 e1.361 8/x，R=0.99)；發聲最小頻率也隨體長的增加而降低(擬合方程為y=3.101 6 e1.412 6/x，R=0.963 7)，體長從4～5 cm變化至9～10 cm時，發聲最小頻率無明顯變化；對蝦體長為2～3 cm時，發聲頻率范圍最大(14～44 kHz)，對蝦體長為9～10 cm時，發聲頻率范圍最小(5～15 kHz)。

從圖6可見：對蝦攝食蝦殼的頻率范圍隨對蝦體長的增加也無明顯變化規律；發聲最大頻率在對蝦體長為6～7 cm時最低(約15 kHz)(擬合方程為y=17.671 8 e0.051 959x，R=0.413 8)；發聲最小頻率隨對蝦體長的增加而增加(擬合方程為y=4.189 2 e0.150 73x，R=0.800 5)；對蝦體長為6～7 cm時，發聲頻率范圍最小(5～15 kHz)，對蝦體長為4～5、8～9 cm時，頻率范圍最大(5～24 kHz)。

圖6 對蝦攝食蝦殼頻率范圍與對蝦體長的關系Fig.6 Relationship between frequency range of feeding shrimp shell and body length of the shrimp

2.4 單個脈沖信號時長的變化

從圖7可見：對蝦攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長隨體長的增加而增加(擬合方程為y=6.311 1 e0.200 81x，R=0.927 1)；對蝦體長為9～10 cm時，單個脈沖信號時長最長(約18 ms)，明顯長于其他體長；對蝦體長為2～3 cm時，單個脈沖信號時長最短(約7 ms)；對蝦體長從4～5變化至8～9 cm時，單個脈沖信號時長無明顯變化。

圖7 單個脈沖信號時長與對蝦體長變化的關系Fig.7 Relationship between duration of a single pulse signal and body length of the shrimp

對蝦攝食蝦殼的單個脈沖信號時長隨體長的增加而增加(擬合方程為y=16.471 3 e-1.066 5/x，R=0.990 1)，對蝦體長為2～3 cm時，單個脈沖信號時長最短(約6 ms)；對蝦體長為9～10 cm時，單個脈沖信號時長最長(約13 ms)；對蝦體長從6～7 cm變化至9～10 cm時，單個脈沖信號時長隨體長增加略有增加。

2.5 攝食顆粒飼料與蝦殼的聲學參數對比

不同體長對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的聲學參數差異明顯。峰值頻率方面，對蝦體長為2～3 cm時，攝食顆粒飼料的峰值頻率較攝食蝦殼時明顯增加，而對蝦體長為8～9、9～10 cm時，攝食顆粒飼料的峰值頻率較攝食蝦殼時明顯降低，對蝦體長為4～5、6～7 cm時，攝食顆粒飼料與攝食蝦殼的峰值頻率差異不大(圖4)。在頻率范圍方面，攝食顆粒飼料的頻率范圍隨對蝦體長的增加呈明顯縮小的趨勢，攝食蝦殼的頻率范圍隨對蝦體長的增加無明顯變化規律(圖5、圖6)。單個脈沖信號方面，對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的信號時長均隨體長增加而增加，區別在于小體長對蝦(2～3、4～5 cm)與大體長對蝦(9～10 cm)攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長明顯長于攝食蝦殼的信號時長(圖7)。

3 討論

3.1 對蝦攝食顆粒飼料的發聲特點

對蝦攝食的咀嚼機制導致了發聲信號特征的不同，不同體長對蝦大顎咀嚼的咬合力不同，從而影響其攝食過程中產生信號的聲學參數[21]。小體長對蝦大顎發育不成熟導致咬合力弱，需要增加單位時間咬合次數以促進顆粒飼料的物理分解，故出現攝食發聲頻率高而單次攝食發聲時間短的特點；隨著對蝦生長，大顎發育逐漸成熟，咬合力逐漸增強，單位時間內顆粒飼料的物理分解速率提高，因此，咬合次數不斷減少，發聲頻率降低，而單次咬合時間則增加。本研究中，5種不同體長對蝦攝食顆粒飼料發聲信號的峰值頻率和頻率范圍均隨對蝦體長的增加而降低，單個脈沖信號時長隨對蝦體長的增加而增加。Soares等[22]研究表明，大、小2種體長的對蝦在平均聲能上存在顯著差異。Silva等[4]研究表明，3種體長(9～10、11～12、13～14 cm)對蝦攝食發聲信號的4項聲學參數特征無顯著性差異。由于其試驗對蝦體長均較大，未包含對蝦從小到大的快速生長時期，不足以概括出對蝦攝食聲學信號特征隨體長變化的規律。Reis等[28]綜述了南美白對蝦攝食發聲信號在養殖中的應用情況，其中歸納了多篇論文中不同體質量(0.04～0.5、10.2、20.5、31.4 g)的對蝦攝食聲學信號特征，表明不同體質量對蝦攝食顆粒飼料發聲信號的峰值頻率、最低頻率和最高頻率有差別，即體質量大的對蝦發聲頻率小，體質量小的對蝦發聲頻率大，但并未考察其變化規律。另外，國外研究中所用顆粒飼料與中國的顆粒飼料類型不同，因此，根據中國常用飼料類型及南美白對蝦的生長階段，確定發聲信號的變化規律更具有實際應用意義。

此外，不同種類對蝦攝食發聲信號也有所不同。Berk[29]發現，白濱對蝦(Litopenaeussetiferus)攝食發聲信號時長約40 ms，是南美白對蝦攝食時長(18 ms)的2.7倍；Daniel等[7]發現，斑節對蝦(Penaeusmonodon)攝食發聲頻率達到50 kHz，均高于現有相關南美白對蝦攝食發聲研究結果。不同種類對蝦攝食時發聲信號存在明顯的不同特征，主要在于對蝦種類不同、攝食發聲機制存在差異。中國對蝦養殖種類較多，在某些地區還會采用混養方式，其他種類對蝦的攝食發聲信號是否存在規律，能否反映對蝦生長狀態有待進一步研究。

3.2 對蝦攝食蝦殼的發聲信號利用

本研究中，5種不同體長對蝦攝食蝦殼發聲信號的峰值頻率、頻率范圍與對蝦體長相關，但隨著體長增加并無明顯變化規律，單個脈沖信號時長則隨著體長的增加而增加，4項聲學參數特征較對蝦攝食顆粒飼料時明顯不同。曹正良等[20]研究表明，對蝦(體長9～10 cm)攝食沙蠶與不同粒徑顆粒飼料時的聲學特征存在明顯差異，攝食不同粒徑顆粒飼料的頻率為5～45 kHz，峰值頻率為10～17 kHz；攝食沙蠶的頻率為5～20 kHz，峰值頻率為7 kHz。在蝦塘對蝦養殖過程中，為了給對蝦提供更充足的營養，往往在育苗或特殊情況下補充沙蠶等生物餌料，而對蝦生長過程也會出現攝食蝦殼的行為。本研究中，對蝦(9～10 cm)攝食蝦殼的頻率范圍為10～24 kHz，峰值頻率約14 kHz?？梢园l現，南美白對蝦攝食顆粒飼料、沙蠶和蝦殼時的聲學信號特征存在顯著性差異。差異原因可能是三者質地結構不同，沙蠶、蝦殼較顆粒飼料堅硬且不易被水浸泡變軟，會對南美白對蝦攝食沙蠶、蝦殼時步足的抓取及大顎的咬合產生一定影響。對蝦通過蛻殼實現生長，對蝦攝食蝦殼發聲蘊含著對蝦蛻殼后的生長狀態，通過研究對蝦攝食蝦殼發聲信號特征可以了解對蝦蛻殼生長及異常攝食情況，根據對蝦的生長狀態可及時更改飼料投喂策略。

3.3 實驗室與蝦塘條件下對蝦攝食情況比較

曹正良等[20]研究表明，蝦塘中檢測出攝食信號大約在投餌后的2 min甚至更長時間，而實驗室大約在投餌后的10 s，差異原因可能與對蝦識別飼料并到達飼料處所需要的時間有關。本研究中，對蝦被放置在空間較小的水箱中，因此，饑餓狀態的對蝦確定飼料較快，所得到的對蝦攝食發聲信號頻率與蝦塘具有較高的相似性，蝦塘中對蝦攝食發聲信號的峰值頻率為5～15 kHz[5]，與本研究中體長為2～3 cm對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率不一致，可能與蝦塘中對蝦體長較大且大小分布不均、存在其他水生生物攝食發聲等有關。而本研究中單個脈沖信號時長與蝦塘中的結果存在顯著差異，可能是受到試驗環境的影響，蝦塘聲音環境復雜，受多種其他水生生物攝食飼料的聲音影響，同時試驗玻璃水箱存在聲音反射等因素。因此，在后續蝦塘攝食發聲試驗中，要更多考慮對蝦攝食蝦塘殘余飼料和其他飼料(魚、蝦等)，以及蝦塘中其他水生生物及群蝦的攝食發聲。

4 結論

1)對蝦攝食顆粒飼料時，隨著對蝦體長的增加，攝食發聲信號的峰值頻率降低，而頻率范圍和單個脈沖信號時長均增加。這些變化呈現一定的線性變化規律。

2)對蝦攝食蝦殼時，隨著對蝦體長的增加，攝食發聲信號的峰值頻率呈先降低后上升，頻率范圍呈先增加后降低再增加再降低的波動變化，單個脈沖信號時長則增加。與攝食顆粒飼料相比，這些攝食發聲信號無明顯的線性變化規律。

3)體長2～3 cm的對蝦攝食顆粒飼料時峰值頻率(25 kHz)顯著高于攝食蝦殼時的峰值頻率(13 kHz)；體長8～9 cm的對蝦攝食顆粒飼料的峰值頻率(8 kHz)較攝食蝦殼(16 kHz)時明顯降低；體長9～10 cm的對蝦攝食顆粒飼料的單個脈沖信號時長(18 ms)明顯長于攝食蝦殼的信號時長(13 ms)。說明對蝦攝食顆粒飼料與蝦殼的發聲信號特征明顯不同。