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底沙和充水层的实验对比By Robert Toonen, Ph.D., Christopher Wee，
原载于June 2005，Advanced Aquarist
[翻译说明：哦，不说了，直接看文章吧。]
在Jean Jaubert博士和Monaco水族馆一起转移了红海珊瑚碉的一个完整部分用于水族馆展览后，充水层系统得到了广泛的接受。Jaubert博士用自然采集的珊瑚底石做了更多的工作，以增强封闭水族箱的生物过滤，并因充水层设计而在1980s后期获得了德国专利及在1990s早期获得了美国专利。很大程度上是因为Monaco水族馆“微型海洋”展示的成功，这种充水层水族箱设计成了世界范围内公共水族馆的一种主要设计方法，近十年来在爱好者维护家庭水族箱方面几乎同样流行。但是过去几年里在美国的爱好者中，“厚底沙”设计很大程度上排挤了充水层系统。碳酸沙厚底床与充水层系统在本质上是相同的，但是沙层下面的空隙使用，则被强烈质疑。厚底沙的支持者辩论说，具有营养物处理能力的是沙子本身而不像是下面的空隙（如Toonen2000a，2000b）。关于这两种再循环系统设计的优点和缺点，有很多水族爱好者撰写的文章和书籍（如 Adey & Loveland 1991，Tullock 1997，Auger 1999，Goemans 1999，Shimek 2001，Hovanec 2003，Delbeek & Sprung正在付印）。关于再循环系统中处理营养物的最有效的沙床设计，仍然有相当多的争论，但到今天为止，这些争论几乎全部是基于个人观点和道听途说的证据。尽管这个话题存在观点分歧，事实上所有公共水族馆继续沿用充水层设计。家庭水族爱好者中，“柏林”系统和“Jaubert”系统在欧洲逐渐成为常用设计，而“厚底沙”和“Miracle Mud”系统在北美更流行。同样地，沙粒的理想大小、沙层厚度、沙层下的空隙有还是无，都在公开文献中被激烈争论。然而对于沙层厚度、颗粒大小以及是否有底层空隙等因素相对于沙层本身的效果，始终没有一个对比实验来判断。尽管这些方法已经应用到研究所、展览馆、公共水族馆以及家庭水族箱，针对不同厚度、不同颗粒大小、有或无充水层时的沙床的营养物处理能力，依然没有进行综合测试。我们第一个完成了这种测试，在Aquaculture月刊（Toonen & Wee 2005）上发表了我们的发现。在这个分为两部分的系列文章中，我们将介绍实验情况。针对作为再循环水族缸的独立过滤方法时表现出的营养物处理能力和性能，我们对以下情况进行科学检验并给出实验结果：(1)充水层（有或无充水层的沙床）；(2)沙床厚度（2.5cm 对 9.0cm）；(3)沙粒的平均大小（2.0mm 对 0.2mm平均直径）。
实验方法和材料
设立水族箱和滴入营养物
我们针对每个因素（有和无充水层、深和浅、粗砂和细砂）使用3个一样的微缸（长宽高27x17x30cm），建立了一个共24个水族缸的因素设计实验。全部实验运行在25摄氏度的温控室内环境中，除了只在水质测试时才打开的一盏头顶上的荧光灯，全部保持黑暗。根据随机数产生器决定每个水族箱使用哪种处理方式。如果做完了一个水族箱的处理，另一个随机数产生，直到所有处理方式全部施加到单个水族箱上。
无充水层厚底沙处理方式是把沙粒直接铺在缸底。充水层处理是把沙粒铺在用细尼龙黑布覆盖的箅子上，箅子是热熔粘接的1cm塑料透光栅。箅子悬空架在离缸底1.5cm处，通过5个PVC环支撑（4个在角落和1个在中心）。在向缸里加海水之前，把细沙粒小心地铺在箅子上，以防止沙粒漏过尼龙网进入充水层空隙。
厚沙处理方式用9升湿沙来产生约9cm厚的沙层。薄沙处理方式用2.5升湿沙产生约2.5cm的沙层。佛罗里达的碎珊瑚砂（0号，基本为椭圆形，平均2x4mm，平均直径2mm）用作粗砂，Southdown Tropical Play沙（平均直径0.2mm）用作细沙。从当地宠物商店各买了50磅的两种砂，在使用之前用高压锅消毒。消毒后的两种砂被分别放进一个大容箱中，加入400升经过过滤的天然海水，然后加入30ml冷冻鱿鱼縻汁，作为营养源以促进沙子中的细菌生长。每两天用手搅拌沙子，持续8周，直到容箱中的氨测不到。
把沙子放进每个缸里后，用滴入的方式把8升经过过滤的天然海水加到每个水族缸里，以避免沙床被扰动。把Cataline水族CAP-180水泵设在50%的效率上，对缸内水进行循环，水泵固定在每个缸的顶端，水泵上部与水面齐平。第二天，3M的氯化铵被滴入到每个缸，直到浓度达到8mg/L。初次加到8mg/L浓度后，过21天，再以每天0.5mg/L的速率重新开始滴入3M氯化铵。
我们知道这些数据对大多数爱好者没有意义，我们想把数据放到使用真实海洋生物负载的情境中。热带珊瑚碉鱼平均的废物排泄率约为0.5+-0.1微克氨/g/Hr，而3英寸的黄倒吊差不多是10.5+-2.2g。这样，我们在8升水的缸里每天添加0.5mg/L相当于两只成年黄倒吊。大多数高密度的碉岩缸产生的氨少于0.5mg/L/天——这个水平相接近高密度人工水族系统，其典型产生量为每天0.6~2.0mg/L。
经过使用鱿鱼糊的初次循环阶段后，沙子用过滤的天然海水冲洗，分配到每一个测试缸里。然后在不换水的情况下系统运行111天。为解决实验缸的水蒸发问题，在每个测试阶段之后添加去离子的蒸馏水，保持盐度在约53ms。
公共水族馆和家庭爱好者长期以来一直使用基于某种沙滤形式的再循环系统，目的是解决缸中生物产生的营养废物。这些再循环系统的沙滤单元的设计，大致分为几大类型：柏林系统、充水层系统以及底沙系统。然而，这些系统可以看成是没有沙子而完全依赖活石和蛋分的柏林系统，到使用大量沙子而无蛋分的厚底沙系统的连续统一体。尽管存在关于这些设计的效用的观点分歧，每个类型的相关应用和最有效的设计方式，仍然是大量争论的话题。有一些研究在比较每种设计的相关性能，但这些研究都是不可重复的，他们给出的结果的基础，是对采用一种设计的单个缸子的比较。我们前面说过，即便在实验室里设立的实验，在没有任何活的动物、只是滴入氨来模拟同样的生物负载的情况下，要从一个缸子里得出任何结论也存在相当大的变数。我们重申这个很多作者先于我们提出的观点：我们要针对任何缸子设计的相关优点做出结论时，需要实验性的证据而不是基于道听途说的证据。关于这个话题的不同观点和持续争论，使得我们开始这个实验。这里我们要给出直接比较不同再循环设计的实验数据。我们设计了一个可控的、可复制的因素设计实验，来判断有无充水层、不同底沙厚度、不同沙粒大小的相关营养物处理效果。抛开花言巧语和观点不谈，我们的实验证明，充水层的存在相较于简单地在缸底铺上同样的沙子，没有表现出可测量的贡献（至少在我们测试的几个月里）。在处理缸内生物产生的废物（尤其是氨、亚硝酸盐、硝酸盐）方面，没有一种处理方式（充水层对底沙、厚沙对薄沙、粗沙对细沙）表现出明显优势。
经过初期的稳定阶段后，所有试验过的处理方式，对连续以0.5mg/L/天的量加入氨，其表现都是差不多的。正如前面提到的，这种加入速度差不多等于高密度养殖的水族系统，甚至超过大多数存栏率很高的水族缸。这个实验中处理方式之间的明显差异，根本不在处理营养废物上，而主要表现为沙子给循环水带来的缓冲能力（译注：碳酸盐碱度）。在这实验中，沙层厚度和沙粒大小所起的作用使整体系统表现产生了最大差异，有或无充水层则没有对所测实验数据表现出明显作用。没有一个系统表现出它们达到了营养废物处理的最大能力，因为实验开始的头两周里，直到实验结束都没有在水中测到氨和亚硝酸盐。同样地，实验缸中硝酸盐的增长速度也远小于向缸里添加的速度。因此，这里测试的每种沙滤设计都显示了处理生物负载的能力，而没有哪个设计表现出更突出的氮氧废物处理能力。反硝化作用肯定发生在每一种处理方式中，因为在整个滴入氨的过程或放养动物的过程（在第二部分介绍）中，硝酸盐浓度没有继续爬升。尽管实验中以0.5mg/L/天的速度持续滴入氨（这个速度能保证代谢足够快，使得氨和亚硝酸盐保持在不可测的水平上），在实验的后60天里，每个缸的硝酸盐都保持在相当稳定的水平上。然而，与我们看到的氨和亚硝酸盐处理结果一样，在降低封闭系统中硝酸盐含量的能力方面，任何一种处理方式（充水层对厚底沙，厚沙对薄沙，粗沙对细沙）都没有明显差异。处理方式之间的明显差异几乎只是在沙子的缓冲能力上，而不是在生化降解营养废物上。处理方式之间的最大区别是磷酸盐的最终浓度：使用粗沙的缸子中的浓度差不多是使用细沙的17倍！因为我们不是从一个产地筛选不同大小的沙子，所以不能说缓冲能力的不同仅仅是因为沙子的大小不同。实际上，缓冲能力的不同可能是由于所选沙子的化学成分不同，而不是沙子大小的直接结果。需要做更多的实验来搞清楚为什么粗沙中的磷酸盐浓度会如此高，但是不管最终原因是什么，我们建议爱好者在向缸里加入大量沙砾前，先测试一下沙砾的溶解度。摘要我们的实验没有表现出支持充水层设计的任何证据。实验结果给出的建议是，是沙子本身在起作用而不是沙层下的充水空隙。即便在实验室里设立的没有任何活的动物的相同缸子，一个缸子与另一个缸子在性能上也表现出巨大的差异。这个结果凸显了缺乏复制性而且不可控的实验所存在的问题。道听途说的证据只表达了在一些案例下的看法，对这种看法的顽固防守导致了超过5年的激烈争论。我们强烈建议爱好者要有很好的洞察力，它会让你质疑那些没有任何实验证据支持的信息。[翻译附注：第二部分的文章也没有进行翻译，关键内容如下。第二部分的实验，是把动物放进这24个缸里产生营养废物，而不再滴入氨。动物实验过程与人工滴入氨得到了相同的结论，另外增加了以下三点意见：生物负载的大小和动物死亡对水质的影响，远大于缸子采用哪一种设计所产生的影响。关于动物死亡率。实验显示，不同的处理方式引起不同的动物死亡率。使用薄底沙时动物的死亡率差不多是使用厚底沙的2倍。实验中死亡率最高的是带有充水层的薄粗沙。最低死亡率是无充水层的厚粗沙。在与海水爱好者使用的厚底沙、Miracle Mud和Jaubert充水层等设计最接近的实验处理方式下，死亡率居中。与柏林系统最接近的薄粗沙实验处理方式下，死亡率最高。目前还没有获得名字的厚粗沙设计具有最低的死亡率。没有测试过空缸底的情况，但数据证明底沙越薄，死亡率越高。在滴入氨和饲养动物两种情况下，实验结果惊人的相似。与我们所期望的相反，动物和沙内底栖生物的存在，没有对最后的营养物浓度变化产生出可测量的效果。
