硅藻土、黑土、赤玉土和沸石对于水质影响的观察比较

水草要用哪一种底砂才比较好种?
可说是水草初学者最常提出的疑问之一。
资深的玩家大抵会告诉入门的水草爱好者们:
水草如果要好种,
那就用黑土;
如果要考验技术,
那就用硅砂。
自从日本 ADA 将黑土(泥)引进水族界后,
的确使得从前许多难以栽培的水草,
现在都变得易如反掌。
科技进步为我们的生活带来更多的便利,
我们应不吝于给予日本 ADA 高度的肯定。
不过我至今不用黑土种植水草的最主要原因,
很单纯就是嫌太贵了!
对我个人而言,
日本 ADA 黑土的性价比(Cost Performance Ratio)不够高,
其实国外也有许多水草玩家试图寻找能够取代 ADA 黑土的廉价替代品,
例如赤玉土的设缸过程一文中,
英国水草协会创始会员 James Clarke 报告了自身使用赤玉土的良好经验。
我们在黑土如何降低 pH,KH 和 GH?一文中,
则是分析了黑土为之所以能让水草种植变得更容易,
乃是因为黑土具有很高的“阳离子交换容量(CEC, Cation Exchange Capacity)”。
阳离子交换容量对许多水族爱好者而言或许算是相当陌生名词,
但在园艺界的各种栽培介质实际运用和比较,
这是个极受重视的特质。

对于植物而言,阳离子交换容量越高的栽培介质,就越有利于保持营养并提供根部的吸收。

土壤之所以能抓住阳离子,
主要是土壤胶体(Soil Colloids)的作用,
底材内的土壤胶体越少则阳离子交换容量越低,
例如沙子或硅砂;
底材内的土壤胶体越多则阳离子交换容量越高,
例如黏土或黑土。
栽培介质的阳离子交换容量(CEC)越高,
就越能抓住各种植物生长所需的阳离子,
土壤胶体所吸附的阳离子越多,
就对于植物的生长就越有利。
一般而言,
土壤胶体对于不同阳离子的吸附能力排序如下:
植物透过根部释出氢离子(H)来换取吸附在胶体上的阳离子,
例如钙(Ca)、镁(Mg)、钾(K)、铵(NH4)等营养。
而植物根部的氢离子来源,
则是二氧化碳(CO2)加水(H2O)形成碳酸(H2CO3)后所分解出来的。
如果单纯从化学反应来看,
植物要在行光合作用(吸收二氧化碳)时才会吸收营养,
其实都算是正确的说法。
而铁离子(Fe)和铝离子(Al)和阴离子之间的强力吸附能力,
也被人用来当作沈淀剂的用途,
这就是我们在水质混浊的成因与对策一文中所探讨的原理。

植物经由根部释出氢离子,藉以交换吸附在土壤颗粒上的阳离子。

虽然阳离子交换容量在园艺界受到了相当的重视与运用,
然而被大多数人所忽略的是,
土壤胶体除了能够吸附阳离子,
也能够吸附阴离子,
或说也有所谓的“阴离子交换容量(AEC, Anion Exchange Capacity)”。
只不过土壤胶体对于阴离子的吸附能力,
要在越酸性的环境中才会越明显。
除非放任土壤持续的酸化而不去理会,
否则陆上园艺栽培的植物不太需要去注意阴离子交换容量的议题。
一般而言,
土壤胶体对于不同阴离子的吸附能力排序如下:
看到了这个阴离子吸附排序,
我们如今终于恍然大悟:
使用黑土且打二氧化碳的酸性水草缸中,
磷酸(PO4)的浓度总是在洒了很多的磷肥后也很不易拉高,
而硝酸(NO3)的浓度则是很轻易的就能升高。
原来,
这一切都是黑土的超强吸附能力所惹的祸。
当然了,
打二氧化碳的黑土水草缸经常有绿斑藻的困扰,
如今看来也就不足为奇了。
至少在以黏土为主的天然水草缸,
由于处于不打二氧化碳的碱性环境下,
绿斑藻就没那么容易肆虐了。

日本 ADA 的亚马逊黑土的问世,使得从前许多不易种植的水草,如今都变得相当容易栽培。

既然栽培介质的阳离子交换容量如此的重要,
那么我们在帮植物挑选底材的时候,
理应挑选越高的就越好囉。
话虽如此,
可是我们多年来不断地在提醒一个观念:
不可将实验室的数据任意套用至水族大环境!
不可将陆生植物的资料任意套用至水草身上!

为了了解栽培介质置入水底之后,
对水质会产生什么样的影响,
我决定做个小小的实验来观察。
这次被我选中的是两种在园艺界很常使用,
但在水族界却绝少当成栽培介质的滤材:
沸石(Zeolite)和硅藻土(Diatomaceous Earth)。
沸石的阳离子交换容量非常的高且受到园艺界的高度肯定,
但在水族界的运用却仅止于当成滤材,
主要强调用来吸附氨氮(NH4)但又常遭抱怨效果未如预期。
硅藻土则是长期被当成了效果极佳的水族滤材,
具有很强大吸水能力。
此外为了当作对照组,
我还选用了两个水草界相当熟悉的两种底材:
最新一代的日本 ADA 亚马逊黑土(Amazonia)和赤玉土(Akadama)。
日本 ADA 亚马逊黑土大家都耳熟能详,
对于水草种植所带来的正面效果备受肯定。
至于会选择赤玉土,
主要是很便宜且用过的草友都给予相当正面的评价。

实验开始后的 24 小时,赤玉土缸是第一个完全变成清澈的缸子。缸子里的底砂高低不平,乃是因为在前一日加水时遭到冲击所致。硅藻土缸的水位是最低的一个,其它三缸的水位则不相上下。

这四种栽培介质的观察实验是在四个 18x13x20 公分(4.68 公升)的小玻璃缸中进行的。
在每个缸子中以量杯测量的方式先各倒入一公升未经清洗的原装栽培介质,
然后在每个缸子中各注入三公升的自来水。
就水草底砂的使用习惯来看,
我所使用的栽培介质偏多了一点点,
这是因为我想纪录水质较快速的变化,
毕竟我只给自己一个星期的观察时间。
添加自来水的过程则故意冲击底材扬起粉尘,
顺便要观察各种栽培介质对于沈淀水中悬浮物质的速率,
此外我也不认为所有的水草玩家在种植水草时能都那么小心翼翼不会扬起粉尘,
也就是以最贴近一般使用者习惯的方式来处置。
而我所记录的水质变量则只有四项:
酸碱值(pH)、导电度(Electrical Conductivity, EC)、总硬度(GH)和碳酸硬度(KH)。
对于一般水族爱好者而言,
这四项水质是最容易取得、最容易理解且最容易进行的测量,
况且透过这四项水质的变化纪录,
也足以让我们相当程度地了解不同栽培介质在水中阳离子交换容量的差异性。
至于水质测量的精密度,
肯定不能以实验室等级来吹毛求疵,
毕竟我本来就要以一个普通水草玩家所能够做得到的方式,
来观察不同栽培介质之间对于水质的“相对”影响力道。
大家能够很轻易的找出我在试验观察过程中诸多的不够精准之处,
绝对的“精确数据”并非我这次观察所追求的,
我想了解的是与一般水草种植更息息相关的“相对差异”,
也就是说相对差异的整体客观性应该还是具有一定的参考价值。

在观察实验结束当日的照片,所有缸子的水质都已经恢复清澈。硅藻土缸和沸石缸是在第六日才完全清澈的。黑土缸是唯一发生藻类(褐藻)的一缸,且在第三日的时候就出现了。

在整个的实验纪录过程当中都没点灯,
缸子内除了栽培介质和自来水之外,
也没放入任何的其他硬件或活体。
而在纪录期间发生了一个令人遗憾的状况,
那就是导电度计在第五日的时候,
由于我个人的保管不当导致受潮而故障,
因此没法继续纪录栽培介质对于水质的导电度影响。
在此要强调的是,
酸碱值和导电度由于是使用电子仪器的缘故,
每次测试前的校正其实非常的重要。
不过我并没有那么大费周章的,
仅有在实验的第 0 日进行了校正,
而酸碱值甚至只校正了 pH=7.0,
并没有进行 pH=4.0 的斜率校正。
不论如何,
所有的水质都是由同一个不太准确的仪器测得的,
至少“相对”的变化差距是可以供参考的。
此外,
硅藻土、赤玉土和沸石都是全新开封的产品;
而 ADA 亚马逊黑土则是已经开封过并闲置近半年的产品,
虽然其包装袋用了橡皮筋加以綑绑封住,
但毕竟不是全新密封的产品。
由于这是我毕生第一次接触到黑土,
不太了解 ADA 亚马逊黑土曾经开封与否,
是否会影响到水质的变化程度。

实验结束当日的最终水质变化表。所有缸子的总硬度和碳酸硬度都下降了,意味着四种栽培介质都具有阳离子吸附能力。表现最佳的栽培介质,竟然是原本只是用来当作配衬的赤玉土。

那么经过了七日的纪录和等待以后,
最终的结果如何呢?
我们从图表可以一目了然:
赤玉土几乎是大获全胜!
只有在降低酸碱值方面输给了日本 ADA 亚马逊黑土。
不过我们强调过,
黑土是开封并闲置了半年的产品,
况且 ADA 亚马逊黑土也非纯粹的栽培介质,
而是添加了许多营养物质的底材,
所以硬说黑土败北并不怎么客观。
而原本只是因一时兴起被我当做配衬用的赤玉土,
竟然打败了原本我最看好的沸石!
这个结果令我感到相当的震惊。
另一个有趣的观察是,
赤玉土缸也是所有缸子澄清最快速的,
在设缸后不到一日就完全清澈了。
黑土缸则是在第三日才变成清澈,
但此时也开始出现了褐藻(硅藻),
黑土缸也是实验期间唯一出现藻类的缸子。
硅藻土缸和沸石缸则是都到了第六日才恢复清澈。
我们在德国所做的 ADA 黑土营养成分分析提到过亚马逊黑土是含有氨氮的,
出现了藻类并不足为奇,
只不过硅藻土的“硅”元素含量应该也不会太低,
但反而没出现硅藻,
这真是个非常有趣的观察和纪录。

赤玉土由于阳离子交换容量不是很高,因此在美国园艺界的评价并不是非常的高。但陆上园艺的观点,并不能直接套用至水族环境。

在这次的观察实验展开之前,
我所查到各种栽培介质的阳离子交换容量(CEC)为:
沸石的 CEC 为 160 meq/100g,
硅藻土的 CEC 为 30-40 meq/100g,
赤玉土的 CEC 为 18-20 meq/100g,
亚马逊黑土的 CEC 则是查无数据。
撇开 ADA 的黑土不谈,
若单纯从阳离子交换容量(CEC)来看,
我们会预测对于水质影响力道的强弱顺序会是:
沸石 > 硅藻土 > 赤玉土,
换句话说,
不论是从酸碱值、导电度、总硬度和碳酸硬度来看,
沸石理应都是相对数值“下降”最多的一种栽培介质。
但事实上我却纪录到了完全相反的结果,
这是真正令我震惊至极的缘故。
硅藻土有个特质倒是在我的观察中记录到了,
那就是硅藻土的吸水性很强,
这和原本所宣传的产品特质是一致的。
从第 0 日刚添加 3 公升自来水时,
我就发现了硅藻土缸的水位比另外三缸还要低,
另外三缸的水位则是不相上下相差无几。
对于打算使用硅藻土当作水草栽培底材的玩家而言,
至少不太需要担心会发生褐藻(硅藻)的问题。
或许硅藻的发生果真如藻类防治入门(五):硅藻(褐藻)一文中所提到的,
美国的 Tom Barr“怀疑”可能是 NH4 所致!

日本 GEX 公司推出了一款加工处理过的沸石底砂,可惜并未引起水草玩家之间广大的回响或正面的评价,至少在台湾的销路就相当凄惨。

沸石原本寄予厚望却表现最差,
意味着在使用水草底材时,
不能光看阳离子交换容量,
也就是不可将实验室的数据任意套用至水族大环境!
其实日本的 GEX 公司早就推出了一款以沸石为主要成分的水草底砂,
只不过这项产品在台湾受到了严重的忽略,
销售量可说凄惨无比。
日本 GEX 公司在推广自家产品时,
也曾和一般的沸石栽培介质进行了比较,
藉以说明 GEX 的沸石底砂更优于一般的沸石。
如果从 GEX 的解说来看,
一般沸石之所以徒具高阳离子交换容量却表现很差,
很可能是因为沸石表面的负电荷已经先被钠离子给占据了,
因此当沸石浸泡到水中以后,
所进行的反应乃是以“交换”为主,
所以对于“净化”水质的力道就大打折扣了;
反之赤玉土表面所带的负电荷尚未与阳离子结合,
因此当赤玉土浸泡到水中以后,
所进行但反应乃是以“吸附”为主,
能够充分发挥净化水质的功能。
这一来一往之间的差距,
很可能就是我纪录到意外成果的主要原因。
由此来看,
而日本 GEX 的沸石底砂,
至少已经把原本吸附在沸石上的钠离子加以去除了。

沸石之所以在水中的表现未如预期,很可能是因为原本的负电荷已经先被钠离子占据了,因此在水中所进行的反应偏重于阳离子之间的“交换”,而非单纯的大量“吸附”。而沸石常被抱怨对于氨氮的吸附效果不佳,乃是氨氮的吸附力不如其他的常见阳离子。

那么我日后到底会选择哪一种园艺栽培介质当作种植水草的底砂呢?
那还用问!
肯定是超便宜且效果绝佳的赤玉土囉!



致谢:

站长最后要感谢吉奕企业有限公司的刘先生和台湾水族宠物生态杂志的周社长,分别提供硅藻土和日本 ADA 亚马逊黑土给站长进行本次的观察实验。

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