底砂是如何工作的？

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底砂是如何工作的【转载】

过去的许多年中，各种厚度的“底砂”被越来越多的应用于水族箱中。它们的使用增加了生物饲养的成功率，尤其是与10几年前盛行的裸缸设置相比更具有优势。尽管如此，很少有人知道为什么底砂会对水族箱的成功起到关键作用，更少有人知道底砂是如何运作的。

过去5年，我曾指出水族箱是人工生态系统，或是礁岩生态系统的微缩版。不可否认，随着生物的逐渐增多，水族箱越来越接近自然世界，许多在自然界发生的相互关系和反应也在水族箱内发生着。把水族箱看做是人工生态系统的说法遭到批评，他们认为水族箱环境完全是人造的，不可能模拟自然。这种批评是愚蠢和不正确的。水族箱必须模拟真实环境，否则其中的生物就无法自由的生活。生活在水族箱中的生物并不知道它们脱离了大自然，而水族箱内环境也在无限的接近自然礁岩生态。



实际情况是我们可以利用礁岩环境中的材料和科学知识解决问题，提高生物饲养技巧，把水族箱变成一个非常好的微缩礁岩世界。我们知道，生物要在一定条件下生活，当某些条件超出范围时，如重金属离子浓度过高时，就会发生问题。只要能找到问题的症结，我们便能解决它，并继续下去。通过这种的循环，我们可以增加对生物的了解，更好的饲养生物。

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如果从人工生物系统的角度衡量，底砂可能是其中最复杂的部分。底砂层从水族箱内的输入很少，却有着自然礁岩生态大多数的功能。这些功能是在非常复杂的物理和生物因素相互作用下完成的，但大多数的相互作用是不可见的，甚至是未被发现的。如果没有这些复杂的相互作用，水族箱饲养会走向失败。成功水族箱的主要原因正是模拟了这种珊瑚礁岩生态中极为复杂的部分。
礁岩沉积物（Sediments In Reefs）



砂床由砂粒构成。这种砂粒被定义为直径在1/16-2/16毫米之间的松散沉积颗粒。直径大于2/16毫米的沉积物被称为砂砾，而直径小于1/16毫米沉积物的被定义为淤泥(Holme and McIntyre, 1984)。当然，在自然界中，各种直径的沉积物是混合在一起的。沉积物的定义也不仅出现在地理学和生物学研究历史中，在水文领域也有所涉及。换句话说，我们所研究的应该是没有被波浪带走的那部分。

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图1 Holme & McIntyre于1984绘制的一份图表。图中表示的是如何对砂粒进行分类。图中所涉及的所有沉积物都可以在礁岩生态中找到。

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自然礁岩环境中的底砂可能由很多物质组成。火山岛屿周围海域最常见的是火山砂（volcanic lava sand）。火山岛周围是珊瑚环礁的最佳生长地点，因此，火山砂在珊瑚礁环境中最常见。珊瑚礁比较靠近河流入海口或水流较急的地方，因此硅砂和其它被淡水从岛屿上带来的沉积物也比较多。当然，珊瑚礁区域还有大量的碳酸钙沉积物。它们来自死亡珊瑚的尸体和其它具有钙化功能的生物。沉积的碳酸钙还有可能来源于珊瑚礁区域海水中碳酸钙的析出沉淀，或来自于其它生物的骨骼，如有孔虫目、蚌类、钙藻或barnacles。



底砂的化学组成对生活在其中的生物没有多大影响，但对于砂粒的直径大小有影响。任何区域的底砂颗粒度都是由该处的波浪和水流决定的。沉积物的密度对颗粒稍有影响，但基本上所有颗粒度较细的沉积物都出现在水流不快的区域。因此珊瑚礁岛的形态对其周围的底砂颗粒度有影响。一般情况下，粗砂粒的沉积物会出现在水流速度高浪多的区域，而细砂粒沉积多出现在水流平缓的区域。



游离状态的沉积物会随着季节的变换变化位置，在潮间带、浅水湾区域，这种位置变换更明显。游客们在一年的某个时候去某处的沙滩观光，通常6个月后，当他们再次游览该处时会发现当初迷人的沙滩不见了，取而代之的是珊瑚砂。沉积物在深水中移动相对少一些，但确实存在移动。

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实际上，天然砂床的最大特点就是流动性。

任何一处的沉积物都有许多特性参数。



首先是平均直径。第二是颗粒大小分布特性。如果选取一处沉积物，测量其颗粒度，采样直径图表应反映出砂粒的直径应呈钟形曲线，在平均直径周围波动。采样测量的钟形曲线与理想的统计钟形曲线的区别反映了该处沉积物的特性。例如，在末端，曲线可能呈现低平的状态，也可能呈现又高又陡的状态。前者，反映出沉积物的种类很多，后者则反映出因波浪或水流关系沉积物种类单一的特点。后者，沉积物可能直径几乎相同，表明由于水流的作用使相同直径的沉积物一起移动，而缺少其它直径的沉积物。沉积物颗粒分选度高是强水流和强波浪的特征，而分选度低是平静水流的特征。

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第三个重要参数是有机物含量。我采样的有些区域有机物含量几乎为0，而有些区域未被污染的沉积物中有机物含量也会高达总重量的20%，被污染的沉积物中有机物含量就更高了。

沉积物直径大小直接影响其中生物的生存状态。底砂生物生活在砂粒的缝隙中，缝隙太大，砂粒不固定容易移动，缝隙太小，生物移动空间受限。另外，各种直径砂粒的混合程度决定了底砂的透水性能。



这里有些连接，展示了某些砂床中的细菌：

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Ocean Explorer
http://www.rnw.nl/science/assets/images/020903bacteria.jpg
很明显，自然界有许多复杂的因素决定了珊瑚礁周围的沉积效果。有机物可能来自珊瑚礁本身或临近海域，或岛屿淡水。潮汐、波浪、风暴，所有形式的能量都会传递给底砂沉积物。
海岸线的地理环境因素也会对沉积物的性质有影响。

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图2 水小拍摄图像。深度165英尺。注意观察底砂上的波纹状特征和较大的沉积物。(波纹距离拍摄位置6英尺，高度超过2英尺) 该处冬季常有超过60英尺的海上风暴。该处的浅水区域几乎没有底砂，最小的直径都要6英尺。自然环境中，水流是最终决定沉积物直径的因素。

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图3 水下设备拍摄的8英尺远处的平坦砂床。此照片是在巴哈马群岛珊瑚礁海域外的水下1140英尺处拍摄。这里的水流轻柔，海底尽是分选好的细白沙。

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沉积物需要经过选择再加入到水族箱，而这只是沉积物形成的第一步。在自然界，沉积物是不断运动的。水族箱内沉积物的颗粒大小、分布、有机物含量随着时间都会改变。

水族箱内的底砂基本上都是白色的细钙砂。砂粒的平均直径会呈现逐步缩小的趋势。在水族箱中，由于没有足够的溶解碳酸盐，表层的钙砂会逐渐溶解甚至消失。另外，以沉积有机物为食的生物在觅食过程中也会消耗一些钙砂。有机物不断的沉淀，有些会分解变成细小颗粒状物质。这些不溶解的颗粒经常是有毒的金属离子化合物。这种沉淀颗粒非常小。所有这些因素的最终结果是导致底砂颗粒度逐渐变小。
沉积物与水



无论是自然海域还是水族箱中，有些关于沉积物和水的因素是非常重要的。第一，底砂中被动的水流基本是不可能实现的。砂粒之间的通道非常狭窄，阻碍了水流的运动，甚至可以说水流在其中根本无法运动。如果不用水泵抽水，底砂中的水流是不会运动的。与很多水族理论相反，我认为水在底砂中并不“扩散”。溶解在水中的物质可能会以水为媒介扩散，但这种扩散作用是微不足道的。

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正如我们将要讨论的，除非专门设置水泵抽动底砂中的水流，否则底砂内水流运动都是由生活在其中的生物运动造成的。

有时砂床上的水流很急或有乱流。急流可以使砂床表层下一英寸深的海水发生移动，但不能形成层流。无论怎样，在底砂和水体之间都有水体交换的情况发生。水族箱内，即使有再大的造流设备，但由于底砂并不是真正的流动，因此，底砂层内的海水与底砂之上的自由海水也只有一点点交换而已。

这样水族箱内的海水被分成两部分，底砂外的海水和底砂中的海水。

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这对于水族箱中的底砂功能非常重要。由于细菌的存在，根据底砂中气体扩散的情况可分为几层。一般根据氧气的溶解量分为有氧层（aerobic）、缺氧层（anaerobic）和无氧层（anoxic）。有氧层中氧气的含量达到或接近自由水体中的氧气含量。缺氧层有少量氧气溶解，大部分氧气被有氧层中的细菌消耗。无氧层没有溶解的自由氧气存在，是反氧化反应层。

如果底砂内没有生命，也就无所谓分层的概念了。这种分层是根据细菌、微生物、底砂动物的活动进行的。



由于这些生物的新陈代谢，消耗了溶解氧，底砂内所有的溶解氧会很快的消失，导致无氧层的出现，那里是只是细菌的乐园。氧气从自由海水向底砂内海水扩散，但这种扩散速度是非常慢的。在没有底砂生物出没的底砂中，有氧层和缺氧层厚度只有百分之几英寸，无氧层几乎延伸到砂床表面。这种底砂状况一般在有机物浓度极高或有毒金属物质堆积的沉积层出现，这种沉积层中缺少生命。这些区域一般是被污染的海域，但原本不应该是这样的。有些海域这种情况会自然发生，也许是大自然对人类污染效果的最佳模拟。

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这里有些无氧层沉积物中的细菌图片：

  http://database.mbl.edu/Costello/find.taf?function=BB&ID=78

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生物和底砂



由于生活在底砂表面及砂粒之间的生物相互复杂的关系和作用，砂床才变得如此重要。其中包括细菌、微藻、原生动物和少量体型小到足够能在底砂中活动的生物。对于它们，整个世界全是由砂粒组成的。在这个迷你世界里，食物链是从细菌和微藻开始的。微藻中，占主导地位的是蓝藻和褐藻（cyanobacteria、diatoms）。


它们吸收水中溶解的营养物质，用这些物质的营养新陈代谢，繁殖出更多的蓝藻和褐藻。细菌和蓝藻都能分泌酶，通过酶催化分解水中的营养，以吸收利用。水族箱内光线一般比较充足，光线甚至可以穿透底砂表面，射入底砂中。相应深度和光线条件下会有相应种类的细菌，以及对应的溶解氧含量。在底砂表层，硅藻和好氧细菌占支配地位。在最底层，厌氧细菌占主导地位。中间层，有很多生物混合在一起，生物的种类由营养含量、砂粒分布和水流运动决定。

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图4  加勒比海珊瑚浅水域沉积物。

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海绵附着在沉淀在底砂中的贝壳残片上。图中黄色标注的东西有些像水族箱内的海蛇尾。它们在水中摄取食物，并将食物拖到底砂内部进行消化。图中的沉积物形状多样，颗粒变化大，应该是接近海岸分选较差的地方。

尽管这些细小的生物是水族箱内溶解营养的最终消费者，但它们也只是底砂系统内复杂生物链中的一个单元。这个生物链需要浅滩沉积物分解动物的分解作用和功能，其中包含很多生物：底砂蠕虫、海螺、甲壳动物等，也就是我们所说的“清洁大军”。

清洁大军的种类要保持多样性，了解这点很重要。海洋动物中很少有不偏食的或什么都吃的。而且大多偏向吃一种食物。因此，要确保所有多余的食物都被处理掉，则需要一支兵种齐全的清洁大军。

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图5  半英寸长的蠕虫，在底砂表面爬行。下方还有一个海葵洞穴。掘穴海葵在温带海洋和热带海洋都比较常见。


图5  半英寸长的蠕虫，在底砂表面爬行。下方还有一个海葵洞穴。掘穴海葵在温带海洋和热带海洋都比较常见。

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无论是食物链中的哪一环，掠食者吃掉的食物并不能全部留在体内，变成组织。生物学研究表明，只有大约10%的食物将转化成动物的活体组织。剩余的90%都将以呼吸作用转化成能量提供给生物。能量燃烧最终产物为水和二氧化碳，它们被排出水族箱。很多食物被以这种方式消耗了。



每天都有太多的食物被“燃烧”，产生的二氧化碳不断的排放到水族箱内，形成碳酸，形成PH值降低趋势。另外还有些食物在另一种新陈代谢过程中被消耗，副产品是氨、磷酸盐，通过尿液或直接从体表排出。然而，这只是食物中的一小部分。大部分未消化的食物残渣会从消化道口排出。海洋生态系统中的食物残渣包含无法消化的、未消化食物的混合物，以及消化酶和消化道细菌。



这些听起来就很恶心的东西却是礁岩生态中另一个群体的食物，其中包括珊瑚、鱼类如小丑鱼等。

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水族饲养者必须不断的喂食以保证生物存活。充足的食物供给对于生物来说非常重要。然而，大多数食物并没有被生物吸收，要么变成了溶解的有机物质，要么变成尿液被排出。这两种副产品都必须从水族箱内去除或转化成无害的物质。这种转换几乎可以完全在底砂中完成，各种细菌和微生物可将这些营养物质不断吸收利用，消耗掉所有的营养或将其转化为气体排出系统。



这个过程从砂床的上层开始，那里食腐动物如小型蠕虫（Linopherusa）、和海螺如织纹螺（Nassarius）会吃掉多余的食物（丰年虾尸体或薄片鱼粮）。另一部分生物吃“素”。在自然界，所谓素食指海藻或海草残余。水族箱内藻类是薄片鱼粮的副产品。大多数水族箱内食藻的动物是片脚类动物，还有些半杂食性的温带海螺（Illynassa obsoleta）以及浅水水藻动物，如conchs、Strombus species和海参。

这些生活在砂床表面的生物通过分泌物滋养着整个底砂层。它们的排出物可以作为藻类滋生的营养。水族箱内这种藻类主要是硅藻（即褐藻）、蓝藻（也叫蓝细菌）。

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一个非常有趣的小型能量循环在藻类和生物之间形成：

A 食藻动物吃掉沉积物颗粒表面的藻类。

B 它们体内进行新陈代谢。

C 一部分藻类被吸收。

D 一些藻类在呼吸作用下燃烧能量。

E 其余的藻类以溶解有机物的形式被排出，为更多藻类生长提供能量。

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当然，如果没有追加喂食，随着每个步骤的能量消耗，可被藻类吸收的能量越来越少了。但总有食物不断的进入水族箱内。无论怎样，这些食藻动物的食物循环从长效看还是在消耗过剩的食物。

然而，很多动物在砂床表层觅食，吃饱后立即钻到砂床内部安全的地方消化。很多代谢产物的排放是在砂床下很深的地方进行的。另外，其它动物如tube-dwelling, 专吃浮游生物的Phyllochaetopterus worms, 或以浮游生物为食的small brittle stars，同时向底砂内排放溶解有机物和尿液。这些蠕虫以水中漂浮的小颗粒为食，也应该算作清洁团队的一员。可以说它们是有生命的机械过滤。其它砂床表面下以有机物颗粒为食的生物，如cirratulid hair worms 和tube dwelling spaghetti worms也会排出同类物质。



实际上，所有这些蠕虫都是在砂床表面觅食，在砂床内消化、代谢和排放废物。