張固成,楊 奕,郭躍品,張固瀾

(1.海南省地質(zhì)調(diào)查院,海南?？?570206;2.CNPC 東方地球物理公司 井中地震中心,河北涿州 072751)

土壤pH平均值計(jì)算模型探討

張固成1,楊 奕1,郭躍品1,張固瀾2

(1.海南省地質(zhì)調(diào)查院,海南?？?570206;2.CNPC 東方地球物理公司 井中地震中心,河北涿州 072751)

土壤pH平均值計(jì)算模型在土壤學(xué)界暫未達(dá)成共識(shí)。這里基于水化學(xué)酸堿中和平衡理論和土壤pH值測(cè)試原理,針對(duì)以往pH平均值計(jì)算模型原理及其存在的不足,建立了土壤pH平均值計(jì)算新模型。對(duì)比應(yīng)用發(fā)現(xiàn),新模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確并易于掌握。

土壤;pH平均值;計(jì)算模型

0 前言

pH值是土壤化學(xué)中常用和最重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一,pH平均值的計(jì)算模型也引起土壤學(xué)界的廣泛重視,然而暫未達(dá)成共識(shí)。目前研究發(fā)現(xiàn),眾值、算術(shù)平均值、幾何平均值又都不能真正反映pH平均值的化學(xué)意義。因此,更科學(xué)、更方便的pH平均值計(jì)算模型亟待建立。

目前,土壤pH值的測(cè)定一般依據(jù)中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤pH值的測(cè)定》(LY/T1239-1999):稱(chēng)取通過(guò)2 mm篩孔的風(fēng)干土樣10 g于50m l高型燒杯中,加入25m l無(wú)二氧化碳的水。用玻璃棒劇烈攪動(dòng)1 m in～2 m in并靜置30m in,然后用pH計(jì)測(cè)定浸出液的pH值。由此可見(jiàn),土壤的酸堿性是以水(土壤浸出液)的pH值來(lái)表征的。則土壤pH平均值計(jì)算模型還是需要在水化學(xué)的相關(guān)方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建。

1 土壤pH平均值計(jì)算原理

土壤pH平均值應(yīng)該反映的是若干個(gè)土壤浸出液混合后的“混合溶液”的pH值。在現(xiàn)實(shí)中,針對(duì)土壤化學(xué)的海量樣本,不可能將所有的土壤浸出液都混合后再來(lái)測(cè)pH值,只能通過(guò)一定的模型來(lái)模擬混合過(guò)程,并計(jì)算“混合溶液”的pH值。

2 pH平均值計(jì)算模型研究現(xiàn)狀

魏復(fù)盛[1]在北方城市降水監(jiān)測(cè)結(jié)果中,比較了五種pH平均值計(jì)算方法,最終認(rèn)為,國(guó)家環(huán)保局1986年頒布的《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(大氣與廢氣)[2]中規(guī)定的降水pH平均值計(jì)算方法更為科學(xué),且與國(guó)外方法一致,便于國(guó)際資料比較研究與交流。

降水氫離子濃度的雨量加權(quán)均值的負(fù)對(duì)數(shù)為:

式中 [H+]i與Vi分別為各降水樣品的H+濃度及體積。

然而,關(guān)鏡輝[3]卻指在《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(大氣與廢氣)中,pH平均值的計(jì)算有很大的局限性:它只適用于pH值小于7的平均值計(jì)算。關(guān)氏從溶液總[H+]和總[OH-]的中和平衡理論,以及剩余離子濃度的概念著眼,提出如下模型:

剩余離子濃度:

式中 [H+]i、[OH-]i、Vi分別為各樣品的H+濃度和OH-濃度及體積。

該樣本集合pH平均值計(jì)算分有以下情況:

(1)當(dāng)A>0時(shí):

(2)當(dāng)A<0時(shí):

臧宏遠(yuǎn)等[7]亦認(rèn)為,pH平均值計(jì)算應(yīng)基于酸堿中和平衡理論建立模型,但未提出具體公式,而是采用編程的方法實(shí)現(xiàn)求解,難以推廣。

林華[6]通過(guò)混合模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)pH值,并與魏復(fù)盛、關(guān)鏡輝、吳松恒[4]、莊世堅(jiān)[5]等推薦的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后最終認(rèn)為,關(guān)氏模型理論依據(jù)充分,推導(dǎo)合理,與實(shí)際情況符合良好,值得推薦。

但作者認(rèn)為,關(guān)氏模型還是有其不足之處:

(1)著眼于剩余離子濃度,是逆酸堿中和反應(yīng)過(guò)程的思維,不便理解。

(2)最終的pH平均值計(jì)算還要分二種情況分別考慮,不便推廣運(yùn)用。

3 pH平均值計(jì)算新模型的構(gòu)建

已知n個(gè)土壤樣品的pH值,pHi、[H+]i、[OH-]i分別為各樣品的pH值、H+濃度、OH-濃度。求這n個(gè)樣品的pH平均值。

由pH值定義得公式(5)。

即[H+]i=10-pHi、[OH-]i=10pHi-14

依據(jù)各單樣的酸堿中和平衡得公式(6)。

依據(jù)酸堿中和平衡理論,在不同pH的樣品混合過(guò)程中,將達(dá)到新的酸堿平衡。而在達(dá)到這一平衡的過(guò)程中,必定有一部份H+與OH-中和。假設(shè)中和的這部份量為X(mo l/L),每個(gè)土壤浸出液體積均為V0(L)。

則混合溶液平衡前H+與OH-平均濃度分別為E、F:

由新的酸堿平衡得公式(8)。

求解公式(8)得公式(9):

由于X為中和的量,則0

由公式(8)及公式(11)求得平衡后的pH值為:

由公式(9)和公式(10)求解,得中和的量:

公式(12)即為所求n個(gè)土壤樣品的pH平均值。

4 pH平均值計(jì)算新模型的應(yīng)用與討論

作者在本文中,選取了海南島多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目中二十個(gè)土壤樣品,其pH值如下:

十個(gè)偏酸性樣本的pH值分別為:2.86、2.87、3.06、3.15、3.16、3.23、3.26、3.3、3.35、3.47。

十個(gè)偏堿性樣本的pH值分別為:9.31、9.35、9.52、9.57、9.63、9.65、9.74、9.86、10.15、10.33 。

分別利用公式(12)及關(guān)氏模型,計(jì)算偏酸性樣本,偏堿性樣本,以及全體樣本的pH平均值,并用公式(11)計(jì)算中和的量X,見(jiàn)表1。

表1 pH平均值及中和的量計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calcu lating resultof pH average value

由表1可知:

(1)中和的量(X)現(xiàn)實(shí)存在,并能具體量化。當(dāng)樣本集合全為偏酸性或偏堿性樣本時(shí),X均較小;而樣本集合中酸性、堿性樣本均有時(shí),X較大。這充分反映出新模型基于酸堿中和平衡理論的科學(xué)性與合理性。

(2)公式(12)與關(guān)氏公式的計(jì)算結(jié)果完全一致,而關(guān)氏公式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,已經(jīng)為林華等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明。由此推論公式(12)的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。

(3)無(wú)論A>0或A<0,關(guān)氏一式、關(guān)氏二式其計(jì)算結(jié)果是完全一致的。因此,關(guān)氏模型沒(méi)有必要分為二部份。但因其著眼的變量為剩余離子濃度,導(dǎo)致其不得不分類(lèi)討論。新模型著眼于中和的量,計(jì)算公式只有一個(gè),易于掌握和應(yīng)用。

5 存在問(wèn)題及結(jié)論

(1)由于客觀條件限制,新模型未能通過(guò)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證,只是通過(guò)與關(guān)氏模型的比較,間接證明了其準(zhǔn)確性。

(2)pH平均值(尤其是背景值)計(jì)算,還涉及樣本代表性等諸多因素,為突出主題,這里暫不詳述。

(3)新模型基于水化學(xué)的酸堿中和理論,應(yīng)用于“土壤浸出液”的pH平均值計(jì)算,也同樣適用于水的pH平均值計(jì)算。

(4)新模型理論依據(jù)充分,計(jì)算方法簡(jiǎn)便,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,值得推廣。

成稿過(guò)程中得到何玉生、潘靜玲等同志的幫助與指導(dǎo),在此表示衷心的感謝!

[1]魏復(fù)盛.降水平均pH計(jì)算方法的比較研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),1989,9(6):466.

[2]國(guó)家環(huán)保局.環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(第二冊(cè))[M].北京:國(guó)家環(huán)?？偩?1986.

[3]關(guān)鏡輝.論pH均值的算法[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),1991,7(4):57.

[4]吳松恒.pH單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)的探討[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),1991,7(1):62.

[5]莊世堅(jiān).關(guān)于pH平均值的正確算法[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),1990,6(4):55.

[6]林華.pH均值計(jì)算述評(píng)及驗(yàn)證[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2007,26(4):86.

[7]臧宏遠(yuǎn).現(xiàn)行pH值平均值計(jì)算方法的不足與改進(jìn)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2004,20(4):25.

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A

1001—1749(2010)06—0662—03

海南島多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查(200414200010)

2010-05-27 改回日期:2010-10-09

張固成(1982-),男,本科,工程師,主要從事生態(tài)地球化學(xué)研究工作。