矽藻土、黑土、赤玉土和沸石對於水質影響的觀察比較

水草要用哪一種底砂才比較好種?
可說是水草初學者最常提出的疑問之一。
資深的玩家大抵會告訴入門的水草愛好者們:
水草如果要好種,
那就用黑土;
如果要考驗技術,
那就用矽砂。
自從日本 ADA 將黑土(泥)引進水族界後,
的確使得從前許多難以栽培的水草,
現在都變得易如反掌。
科技進步為我們的生活帶來更多的便利,
我們應不吝於給予日本 ADA 高度的肯定。
不過我至今不用黑土種植水草的最主要原因,
很單純就是嫌太貴了!
對我個人而言,
日本 ADA 黑土的性價比(Cost Performance Ratio)不夠高,
其實國外也有許多水草玩家試圖尋找能夠取代 ADA 黑土的廉價替代品,
例如赤玉土的設缸過程一文中,
英國水草協會創始會員 James Clarke 報告了自身使用赤玉土的良好經驗。
我們在黑土如何降低 pH,KH 和 GH?一文中,
則是分析了黑土為之所以能讓水草種植變得更容易,
乃是因為黑土具有很高的「陽離子交換容量(CEC, Cation Exchange Capacity)」。
陽離子交換容量對許多水族愛好者而言或許算是相當陌生名詞,
但在園藝界的各種栽培介質實際運用和比較,
這是個極受重視的特質。

對於植物而言,陽離子交換容量越高的栽培介質,就越有利於保持營養並提供根部的吸收。

土壤之所以能抓住陽離子,
主要是土壤膠體(Soil Colloids)的作用,
底材內的土壤膠體越少則陽離子交換容量越低,
例如沙子或矽砂;
底材內的土壤膠體越多則陽離子交換容量越高,
例如黏土或黑土。
栽培介質的陽離子交換容量(CEC)越高,
就越能抓住各種植物生長所需的陽離子,
土壤膠體所吸附的陽離子越多,
就對於植物的生長就越有利。
一般而言,
土壤膠體對於不同陽離子的吸附能力排序如下:
植物透過根部釋出氫離子(H)來換取吸附在膠體上的陽離子,
例如鈣(Ca)、鎂(Mg)、鉀(K)、銨(NH4)等營養。
而植物根部的氫離子來源,
則是二氧化碳(CO2)加水(H2O)形成碳酸(H2CO3)後所分解出來的。
如果單純從化學反應來看,
植物要在行光合作用(吸收二氧化碳)時才會吸收營養,
其實都算是正確的說法。
而鐵離子(Fe)和鋁離子(Al)和陰離子之間的強力吸附能力,
也被人用來當作沈澱劑的用途,
這就是我們在水質混濁的成因與對策一文中所探討的原理。

植物經由根部釋出氫離子,藉以交換吸附在土壤顆粒上的陽離子。

雖然陽離子交換容量在園藝界受到了相當的重視與運用,
然而被大多數人所忽略的是,
土壤膠體除了能夠吸附陽離子,
也能夠吸附陰離子,
或說也有所謂的「陰離子交換容量(AEC, Anion Exchange Capacity)」。
只不過土壤膠體對於陰離子的吸附能力,
要在越酸性的環境中才會越明顯。
除非放任土壤持續的酸化而不去理會,
否則陸上園藝栽培的植物不太需要去注意陰離子交換容量的議題。
一般而言,
土壤膠體對於不同陰離子的吸附能力排序如下:
看到了這個陰離子吸附排序,
我們如今終於恍然大悟:
使用黑土且打二氧化碳的酸性水草缸中,
磷酸(PO4)的濃度總是在灑了很多的磷肥後也很不易拉高,
而硝酸(NO3)的濃度則是很輕易的就能升高。
原來,
這一切都是黑土的超強吸附能力所惹的禍。
當然了,
打二氧化碳的黑土水草缸經常有綠斑藻的困擾,
如今看來也就不足為奇了。
至少在以黏土為主的天然水草缸,
由於處於不打二氧化碳的鹼性環境下,
綠斑藻就沒那麼容易肆虐了。

日本 ADA 的亞馬遜黑土的問世,使得從前許多不易種植的水草,如今都變得相當容易栽培。

既然栽培介質的陽離子交換容量如此的重要,
那麼我們在幫植物挑選底材的時候,
理應挑選越高的就越好囉。
話雖如此,
可是我們多年來不斷地在提醒一個觀念:
不可將實驗室的數據任意套用至水族大環境!
不可將陸生植物的資料任意套用至水草身上!

為了了解栽培介質置入水底之後,
對水質會產生什麼樣的影響,
我決定做個小小的實驗來觀察。
這次被我選中的是兩種在園藝界很常使用,
但在水族界卻絕少當成栽培介質的濾材:
沸石(Zeolite)和矽藻土(Diatomaceous Earth)。
沸石的陽離子交換容量非常的高且受到園藝界的高度肯定,
但在水族界的運用卻僅止於當成濾材,
主要強調用來吸附氨氮(NH4)但又常遭抱怨效果未如預期。
矽藻土則是長期被當成了效果極佳的水族濾材,
具有很強大吸水能力。
此外為了當作對照組,
我還選用了兩個水草界相當熟悉的兩種底材:
最新一代的日本 ADA 亞馬遜黑土(Amazonia)和赤玉土(Akadama)。
日本 ADA 亞馬遜黑土大家都耳熟能詳,
對於水草種植所帶來的正面效果備受肯定。
至於會選擇赤玉土,
主要是很便宜且用過的草友都給予相當正面的評價。

實驗開始後的 24 小時,赤玉土缸是第一個完全變成清澈的缸子。缸子裡的底砂高低不平,乃是因為在前一日加水時遭到沖擊所致。矽藻土缸的水位是最低的一個,其它三缸的水位則不相上下。

這四種栽培介質的觀察實驗是在四個 18x13x20 公分(4.68 公升)的小玻璃缸中進行的。
在每個缸子中以量杯測量的方式先各倒入一公升未經清洗的原裝栽培介質,
然後在每個缸子中各注入三公升的自來水。
就水草底砂的使用習慣來看,
我所使用的栽培介質偏多了一點點,
這是因為我想紀錄水質較快速的變化,
畢竟我只給自己一個星期的觀察時間。
添加自來水的過程則故意沖擊底材揚起粉塵,
順便要觀察各種栽培介質對於沈澱水中懸浮物質的速率,
此外我也不認為所有的水草玩家在種植水草時能都那麼小心翼翼不會揚起粉塵,
也就是以最貼近一般使用者習慣的方式來處置。
而我所記錄的水質變數則只有四項:
酸鹼值(pH)、導電度(Electrical Conductivity, EC)、總硬度(GH)和碳酸硬度(KH)。
對於一般水族愛好者而言,
這四項水質是最容易取得、最容易理解且最容易進行的測量,
況且透過這四項水質的變化紀錄,
也足以讓我們相當程度地了解不同栽培介質在水中陽離子交換容量的差異性。
至於水質測量的精密度,
肯定不能以實驗室等級來吹毛求疵,
畢竟我本來就要以一個普通水草玩家所能夠做得到的方式,
來觀察不同栽培介質之間對於水質的「相對」影響力道。
大家能夠很輕易的找出我在試驗觀察過程中諸多的不夠精準之處,
絕對的「精確數據」並非我這次觀察所追求的,
我想瞭解的是與一般水草種植更息息相關的「相對差異」,
也就是說相對差異的整體客觀性應該還是具有一定的參考價值。

在觀察實驗結束當日的照片,所有缸子的水質都已經恢復清澈。矽藻土缸和沸石缸是在第六日才完全清澈的。黑土缸是唯一發生藻類(褐藻)的一缸,且在第三日的時候就出現了。

在整個的實驗紀錄過程當中都沒點燈,
缸子內除了栽培介質和自來水之外,
也沒放入任何的其他硬件或活體。
而在紀錄期間發生了一個令人遺憾的狀況,
那就是導電度計在第五日的時候,
由於我個人的保管不當導致受潮而故障,
因此沒法繼續紀錄栽培介質對於水質的導電度影響。
在此要強調的是,
酸鹼值和導電度由於是使用電子儀器的緣故,
每次測試前的校正其實非常的重要。
不過我並沒有那麼大費周章的,
僅有在實驗的第 0 日進行了校正,
而酸鹼值甚至只校正了 pH=7.0,
並沒有進行 pH=4.0 的斜率校正。
不論如何,
所有的水質都是由同一個不太準確的儀器測得的,
至少「相對」的變化差距是可以供參考的。
此外,
矽藻土、赤玉土和沸石都是全新開封的產品;
而 ADA 亞馬遜黑土則是已經開封過並閒置近半年的產品,
雖然其包裝袋用了橡皮筋加以綑綁封住,
但畢竟不是全新密封的產品。
由於這是我畢生第一次接觸到黑土,
不太了解 ADA 亞馬遜黑土曾經開封與否,
是否會影響到水質的變化程度。

實驗結束當日的最終水質變化表。所有缸子的總硬度和碳酸硬度都下降了,意味着四種栽培介質都具有陽離子吸附能力。表現最佳的栽培介質,竟然是原本只是用來當作配襯的赤玉土。

那麼經過了七日的紀錄和等待以後,
最終的結果如何呢?
我們從圖表可以一目了然:
赤玉土幾乎是大獲全勝!
只有在降低酸鹼值方面輸給了日本 ADA 亞馬遜黑土。
不過我們強調過,
黑土是開封並閒置了半年的產品,
況且 ADA 亞馬遜黑土也非純粹的栽培介質,
而是添加了許多營養物質的底材,
所以硬說黑土敗北並不怎麼客觀。
而原本只是因一時興起被我當做配襯用的赤玉土,
竟然打敗了原本我最看好的沸石!
這個結果令我感到相當的震驚。
另一個有趣的觀察是,
赤玉土缸也是所有缸子澄清最快速的,
在設缸後不到一日就完全清澈了。
黑土缸則是在第三日才變成清澈,
但此時也開始出現了褐藻(矽藻),
黑土缸也是實驗期間唯一出現藻類的缸子。
矽藻土缸和沸石缸則是都到了第六日才恢復清澈。
我們在德國所做的 ADA 黑土營養成分分析提到過亞馬遜黑土是含有氨氮的,
出現了藻類並不足為奇,
只不過矽藻土的「矽」元素含量應該也不會太低,
但反而沒出現矽藻,
這真是個非常有趣的觀察和紀錄。

赤玉土由於陽離子交換容量不是很高,因此在美國園藝界的評價並不是非常的高。但陸上園藝的觀點,並不能直接套用至水族環境。

在這次的觀察實驗展開之前,
我所查到各種栽培介質的陽離子交換容量(CEC)為:
沸石的 CEC 為 160 meq/100g,
矽藻土的 CEC 為 30-40 meq/100g,
赤玉土的 CEC 為 18-20 meq/100g,
亞馬遜黑土的 CEC 則是查無數據。
撇開 ADA 的黑土不談,
若單純從陽離子交換容量(CEC)來看,
我們會預測對於水質影響力道的強弱順序會是:
沸石 > 矽藻土 > 赤玉土,
換句話說,
不論是從酸鹼值、導電度、總硬度和碳酸硬度來看,
沸石理應都是相對數值「下降」最多的一種栽培介質。
但事實上我卻紀錄到了完全相反的結果,
這是真正令我震驚至極的緣故。
矽藻土有個特質倒是在我的觀察中記錄到了,
那就是矽藻土的吸水性很強,
這和原本所宣傳的產品特質是一致的。
從第 0 日剛添加 3 公升自來水時,
我就發現了矽藻土缸的水位比另外三缸還要低,
另外三缸的水位則是不相上下相差無幾。
對於打算使用矽藻土當作水草栽培底材的玩家而言,
至少不太需要擔心會發生褐藻(矽藻)的問題。
或許矽藻的發生果真如藻類防治入門(五):矽藻(褐藻)一文中所提到的,
美國的 Tom Barr「懷疑」可能是 NH4 所致!

日本 GEX 公司推出了一款加工處理過的沸石底砂,可惜並未引起水草玩家之間廣大的迴響或正面的評價,至少在台灣的銷路就相當淒慘。

沸石原本寄予厚望卻表現最差,
意味着在使用水草底材時,
不能光看陽離子交換容量,
也就是不可將實驗室的數據任意套用至水族大環境!
其實日本的 GEX 公司早就推出了一款以沸石為主要成分的水草底砂,
只不過這項產品在台灣受到了嚴重的忽略,
銷售量可說淒慘無比。
日本 GEX 公司在推廣自家產品時,
也曾和一般的沸石栽培介質進行了比較,
藉以說明 GEX 的沸石底砂更優於一般的沸石。
如果從 GEX 的解說來看,
一般沸石之所以徒具高陽離子交換容量卻表現很差,
很可能是因為沸石表面的負電荷已經先被鈉離子給佔據了,
因此當沸石浸泡到水中以後,
所進行的反應乃是以「交換」為主,
所以對於「淨化」水質的力道就大打折扣了;
反之赤玉土表面所帶的負電荷尚未與陽離子結合,
因此當赤玉土浸泡到水中以後,
所進行但反應乃是以「吸附」為主,
能夠充分發揮淨化水質的功能。
這一來一往之間的差距,
很可能就是我紀錄到意外成果的主要原因。
由此來看,
而日本 GEX 的沸石底砂,
至少已經把原本吸附在沸石上的鈉離子加以去除了。

沸石之所以在水中的表現未如預期,很可能是因為原本的負電荷已經先被鈉離子佔據了,因此在水中所進行的反應偏重於陽離子之間的「交換」,而非單純的大量「吸附」。而沸石常被抱怨對於氨氮的吸附效果不佳,乃是氨氮的吸附力不如其他的常見陽離子。

那麼我日後到底會選擇哪一種園藝栽培介質當作種植水草的底砂呢?
那還用問!
肯定是超便宜且效果絕佳的赤玉土囉!



致謝:

站長最後要感謝吉奕企業有限公司的劉先生和台灣水族寵物生態雜誌的周社長,分別提供矽藻土和日本 ADA 亞馬遜黑土給站長進行本次的觀察實驗。

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