PAM赋能对虾智慧养殖：环境因素与摄食行为的深度关联！

传统养殖中，饲料投喂量多依赖养殖户经验判断，常因环境波动导致投喂过剩或不足——过剩饲料不仅增加成本，还会加剧水体氮污染；投喂不足则抑制虾类生长，引发病害风险。同时，水质参数（如温度、氨氮、亚硝酸氮）与摄食行为的关联缺乏实时监测手段，传统视觉观察易受池塘浑浊度、养殖密度等因素限制，难以精准捕捉虾类摄食状态。

被动声学监测（PAM）技术的出现为解决这一痛点提供了新路径。该技术通过捕捉生物发声信号实现非侵入式监测，无需干扰养殖环境即可获取目标生物的行为信息。南美白对虾在摄食时，颚足咀嚼、步足抓取食物等动作会产生特征性“咔哒”声，其信号参数（数量、声压级、脉冲特征等）与摄食强度直接相关。然而，当前多数养殖场景中，PAM系统与水质监测系统仍处于“各自为战”的状态，数据割裂导致饲喂策略调整滞后，制约了智慧养殖的落地效率。

为此，本研究聚焦温度、氨氮、亚硝酸氮三大核心环境因子，系统探究其与南美白对虾“咔哒”声信号、摄食行为及饲料消耗量的关联，旨在为PAM技术与水质参数的深度融合提供科学依据，推动智能饲喂系统的优化升级，助力高科技养虾模式的标准化与规模化。

一、材料与方法：严谨设计筑牢研究基础：

1、实验对象与养殖条件：

实验于某大学水产养殖重点实验室开展，选用健康南美白对虾（Litopenaeus vannamei）为研究对象，初始平均体重8±0.32克，确保实验个体生理状态均一。养殖用水采用过滤后的自然海水，实验全程维持溶解氧（6.0±0.5 mg/L）、盐度（28±1‰）等基础参数稳定，仅针对性调控温度、氨氮、亚硝酸氮三大变量，避免无关因素干扰。

2、实验设计与分组：

虾苗经7天适应期（适应实验缸环境与基础饲料）后，筛选660尾处于蜕壳期中期（摄食行为稳定，排除蜕壳前后生理波动影响）、附肢完整、游动能力正常的个体，随机分配至11个容量为216升的圆柱形实验缸中，每缸60尾，保证养殖密度均匀（约278尾/m³，贴近工厂化养殖实际）。

实验采用三因素梯度设计，各因素设置如下：

温度梯度：20℃、23℃、26℃、29℃、32℃（覆盖南美白对虾适宜生长温度范围，兼顾低温与高温胁迫场景）；

氨氮（NH₄⁺-N）梯度：0.05 mg/L（对照组）、0.3 mg/L、0.6 mg/L（模拟池塘常见积累浓度，参考GB 11607-1989渔业水质标准）；

亚硝酸氮（NO₂⁻-N）梯度：0.01 mg/L（对照组）、0.2 mg/L、0.4 mg/L（涵盖亚急性胁迫浓度范围）。

每个梯度设置3组独立重复，同时设置1组空白对照缸（无虾），用于排除环境本底噪音干扰。

3、监测系统与数据采集：

声学监测：每缸顶部安装1台商用水声计（频率响应范围10 Hz-20 kHz，灵敏度-164 dB re 1 V/μPa），连接数据记录仪，采样率设为44.1 kHz，连续记录投喂前后2小时的音频信号；

视频监测：每缸侧方部署高清摄像头（1080P分辨率，30帧/秒），同步录制摄食过程，用于行为轨迹分析（如料台访问频率、游动速度）；

水质监测：采用多参数水质传感器（精度±0.1℃、±0.01 mg/L），实时记录各缸温度、氨氮、亚硝酸氮浓度，数据每5分钟同步一次；

摄食量统计：投喂粒径1.2 mm的配合饲料（粗蛋白含量40%），投喂量为虾体重的3%-5%，投喂后1小时收集残饵，经烘干称重法计算实际摄食量。

图1：拾音系统（A）和喂食观察系统（B）。注：隔离区（a）、隔板（b）、观察区（c）、进料盘（d）、水声管（e）、红外热像仪（f）、开关（g）、监控屏和存储装置（h）。

4、数据处理

音频信号经MATLAB软件去噪（剔除水流、设备等背景噪音）后，提取“咔哒”声的核心参数：数量（单位时间内有效信号次数）、脉冲数（单声信号包含的脉冲个数）、声压级（SPL，单位dB）；视频数据通过行为分析软件（EthoVision XT 15）提取虾类游动轨迹、料台停留时间等指标；采用SPSS 26.0进行相关性分析与显著性检验（P<0.05为差异显著）。

二、结果与讨论

1、本研究重点分析了南美白对虾在温度、氨氮和亚硝酸氮等各种环境条件下的采食量、声音信号和摄食行为。在调查的变化范围内，温度的升高与饲料消耗量、发出的“咔哒声”数量和声压 （SPL） 的增加有关。

相反，当氨氮和亚硝酸氮浓度增加时，饲料消耗量和“咔哒”声的数量均有所下降，而声压级变化几乎不大。值得注意的是，结果表明，在所有环境条件下，采食量与“咔哒”声数量之间存在稳定的相关性。同时，这些环境因素也对虾的不同形式的摄食行为产生了明显的影响。

投喂过程中“咔哒”声信号的特征参数，包括：时间、脉冲数和声压级，对于监测投喂行为和服务水产养殖管理具有重要意义。研究表明，与声压级相比，“咔哒”声的数量是更可靠的参数，可以准确反映不同环境条件下白对虾的摄食状态。

图2：饲料消耗量与颗粒饲料后30分钟的咔嗒声次数（A-C）和声压级（SPL，单位dB）（D-F）之间的关系，在不同温度、氨氮浓度和亚硝酸氮浓度下。

此外，在不同的环境条件下，“咔哒”声和声压级的次数均随喂食时间的增加而减少，峰值出现在前10分钟。这表明虾在早期达到最高的摄食频率和强度，这与以往的研究结果一致。从这一观察结果来看，进一步的研究应重点关注喂食早期阶段的“咔哒”声数量，并将声信号特征与复杂的环境数据相结合，以提高智能喂食系统的准确性。

2、在水产养殖池塘条件下，温度升高在最佳范围内会促进白虾（南美白对虾）的新陈代谢，增加能量需求并刺激摄食行为。与之前的研究类似，我们的结果还表明，随着温度升高，采食量、“咔哒”声和声压级都趋于增加。

图3：在不同温度（A-C）、氨氮浓度（D-F）和亚硝酸氮（G-I）浓度下颗粒饲喂后30分钟内南美白对虾的饲料消耗量、点击次数和声压级（SPL，dB）的差异。

此外，投喂时间的速率增加，而投喂时间明显减少，虾的轨迹集中在料台周围。相比之下，虾在20°C下游泳和进食的能力较差。

图4：不同温度（A、B）、氨氮浓度（C、D）和亚硝酸氮浓度（E、F）下南美白白对虾的行为时间与摄食时间之比。

温度和新陈代谢之间的关系通常用Q10系数来描述，平均值约为2.0。这项研究发现，Q10在26–32°C期间达到2.12，但在20–26°C期间飙升至13.82，与低温下的典型值有明显偏差。这可能是因为20°C超出了新陈代谢的最佳范围，导致摄食受到抑制。行为观察也强化了这一结论：20°C的虾几乎没有到达料台，这表明在调查范围内，低温对饲喂行为的影响比高温更强。

这强调了控制南美白对虾养殖中水温波动的重要性。当温度数据与PAM技术相结合时，智能饲喂系统可以灵活调整份量：当水温升高在最佳范围内时增加饲料量，并根据实时“咔哒”声的次数优化饲喂策略，提高饲料利用效率和生长速度。相反，当温度下降时，需要减少投喂量，以限制饲料浪费和水污染的风险。但是，如果温度超过最佳范围，则虾的摄食行为和生长速度都会受到抑制。

3、与相当稳定的溶解氧和盐度不同，池塘中氨氮和亚硝酸盐的浓度由于饲料代谢的积累而不断波动，难以实时准确控制。研究结果表明，当这些化合物的浓度增加时，虾饲料消耗量减少（Fig. 3D，G），伴随着摄食和休息时间的延长，而实际饲喂时间缩短（图4C，F）。同时，“咔哒”声（图3E，F）和SPL（图3H，I）的数量也分别减少，证实了这两种氮化合物对摄食行为的明显抑制作用。

对行为轨迹的观察表明，在氮浓度高的环境中，虾的移动性通常较差，主要是保持其原始位置并限制了对料台的访问。这可能与氮破坏膜结构，降低血蓝蛋白转运氧气的能力有关。为了适应，虾被迫通过减少食物消耗、节省能量和增加生存机会来调整其行为，类似于鲤鱼等某些鱼类中记录的适应机制。

这表明，忽视无机氮在饲喂策略中的影响会导致调整反应缓慢，导致饲料投喂过剩，增加氨和亚硝酸盐浓度，从而造成水污染的恶性循环，抑制虾的摄食行为。因此，在PAM施用喂料系统中，需要将氨和亚硝酸盐氮浓度作为关键参数进行整合。当氮气浓度升高时，系统应该发出警报，并自动向下调整饲料，以维持稳定的环境，从而保证虾的健康和生长速度。