土壤pH平均值計算模型探討

張固成,楊 奕,郭躍品,張固瀾

(1.海南省地質調查院,海南海口 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.海南省地質調查院,海南海口 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平均值計算模型在土壤學界暫未達成共識。這里基于水化學酸堿中和平衡理論和土壤pH值測試原理,針對以往pH平均值計算模型原理及其存在的不足,建立了土壤pH平均值計算新模型。對比應用發現,新模型計算結果準確并易于掌握。

土壤;pH平均值;計算模型

0 前言

pH值是土壤化學中常用和最重要的檢驗項目之一,pH平均值的計算模型也引起土壤學界的廣泛重視,然而暫未達成共識。目前研究發現,眾值、算術平均值、幾何平均值又都不能真正反映pH平均值的化學意義。因此,更科學、更方便的pH平均值計算模型亟待建立。

目前,土壤pH值的測定一般依據中華人民共和國林業行業標準《森林土壤pH值的測定》(LY/T1239-1999):稱取通過2 mm篩孔的風干土樣10 g于50m l高型燒杯中,加入25m l無二氧化碳的水。用玻璃棒劇烈攪動1 m in～2 m in并靜置30m in,然后用pH計測定浸出液的pH值。由此可見,土壤的酸堿性是以水(土壤浸出液)的pH值來表征的。則土壤pH平均值計算模型還是需要在水化學的相關方法的基礎上構建。

1 土壤pH平均值計算原理

土壤pH平均值應該反映的是若干個土壤浸出液混合后的“混合溶液”的pH值。在現實中,針對土壤化學的海量樣本,不可能將所有的土壤浸出液都混合后再來測pH值,只能通過一定的模型來模擬混合過程,并計算“混合溶液”的pH值。

2 pH平均值計算模型研究現狀

魏復盛[1]在北方城市降水監測結果中,比較了五種pH平均值計算方法,最終認為,國家環保局1986年頒布的《環境監測技術規范》(大氣與廢氣)[2]中規定的降水pH平均值計算方法更為科學,且與國外方法一致,便于國際資料比較研究與交流。

降水氫離子濃度的雨量加權均值的負對數為:

式中 [H+]i與Vi分別為各降水樣品的H+濃度及體積。

然而,關鏡輝[3]卻指在《環境監測技術規范》(大氣與廢氣)中,pH平均值的計算有很大的局限性:它只適用于pH值小于7的平均值計算。關氏從溶液總[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平均值計算分有以下情況:

(1)當A>0時:

(2)當A<0時:

臧宏遠等[7]亦認為,pH平均值計算應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現求解,難以推廣。

林華[6]通過混合模擬實驗實測pH值,并與魏復盛、關鏡輝、吳松恒[4]、莊世堅[5]等推薦的模型計算結果進行對比后最終認為,關氏模型理論依據充分,推導合理,與實際情況符合良好,值得推薦。

但作者認為,關氏模型還是有其不足之處:

(1)著眼于剩余離子濃度,是逆酸堿中和反應過程的思維,不便理解。

(2)最終的pH平均值計算還要分二種情況分別考慮,不便推廣運用。

3 pH平均值計算新模型的構建

已知n個土壤樣品的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

依據各單樣的酸堿中和平衡得公式(6)。

依據酸堿中和平衡理論,在不同pH的樣品混合過程中,將達到新的酸堿平衡。而在達到這一平衡的過程中,必定有一部份H+與OH-中和。假設中和的這部份量為X(mo l/L),每個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個土壤樣品的pH平均值。

4 pH平均值計算新模型的應用與討論

作者在本文中,選取了海南島多目標區域地球化學調查項目中二十個土壤樣品,其pH值如下:

十個偏酸性樣本的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)及關氏模型,計算偏酸性樣本,偏堿性樣本,以及全體樣本的pH平均值,并用公式(11)計算中和的量X,見表1。

表1 pH平均值及中和的量計算結果Tab.1 Calcu lating resultof pH average value

由表1可知:

(1)中和的量(X)現實存在,并能具體量化。當樣本集合全為偏酸性或偏堿性樣本時,X均較小;而樣本集合中酸性、堿性樣本均有時,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性與合理性。

(2)公式(12)與關氏公式的計算結果完全一致,而關氏公式計算結果的準確性,已經為林華等[6]通過實驗證明。由此推論公式(12)的計算結果是準確的。

(3)無論A>0或A<0,關氏一式、關氏二式其計算結果是完全一致的。因此,關氏模型沒有必要分為二部份。但因其著眼的變量為剩余離子濃度,導致其不得不分類討論。新模型著眼于中和的量,計算公式只有一個,易于掌握和應用。

5 存在問題及結論

(1)由于客觀條件限制,新模型未能通過模擬試驗驗證,只是通過與關氏模型的比較,間接證明了其準確性。

(2)pH平均值(尤其是背景值)計算,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)新模型基于水化學的酸堿中和理論,應用于“土壤浸出液”的pH平均值計算,也同樣適用于水的pH平均值計算。

(4)新模型理論依據充分,計算方法簡便,計算結果準確,值得推廣。

成稿過程中得到何玉生、潘靜玲等同志的幫助與指導,在此表示衷心的感謝!

[1]魏復盛.降水平均pH計算方法的比較研究[J].中國環境科學,1989,9(6):466.

[2]國家環保局.環境監測技術規范(第二冊)[M].北京:國家環保總局,1986.

[3]關鏡輝.論pH均值的算法[J].中國環境監測,1991,7(4):57.

[4]吳松恒.pH單項評價指數的探討[J].中國環境監測,1991,7(1):62.

[5]莊世堅.關于pH平均值的正確算法[J].中國環境監測,1990,6(4):55.

[6]林華.pH均值計算述評及驗證[J].環境科學導刊,2007,26(4):86.

[7]臧宏遠.現行pH值平均值計算方法的不足與改進[J].中國環境監測,2004,20(4):25.

P 632

A

1001—1749(2010)06—0662—03

海南島多目標區域地球化學調查(200414200010)

2010-05-27 改回日期:2010-10-09

張固成(1982-),男,本科,工程師,主要從事生態地球化學研究工作。