土壤pH平均值计算模型探讨

张固成,杨 奕,郭跃品,张固澜

(1.海南省地质调查院,海南海口 570206;2.CNPC 东方地球物理公司 井中地震中心,河北涿州 072751)

土壤pH平均值计算模型探讨

张固成1,杨 奕1,郭跃品1,张固澜2

(1.海南省地质调查院,海南海口 570206;2.CNPC 东方地球物理公司 井中地震中心,河北涿州 072751)

土壤pH平均值计算模型在土壤学界暂未达成共识。这里基于水化学酸碱中和平衡理论和土壤pH值测试原理,针对以往pH平均值计算模型原理及其存在的不足,建立了土壤pH平均值计算新模型。对比应用发现,新模型计算结果准确并易于掌握。

土壤;pH平均值;计算模型

0 前言

pH值是土壤化学中常用和最重要的检验项目之一,pH平均值的计算模型也引起土壤学界的广泛重视,然而暂未达成共识。目前研究发现,众值、算术平均值、几何平均值又都不能真正反映pH平均值的化学意义。因此,更科学、更方便的pH平均值计算模型亟待建立。

目前,土壤pH值的测定一般依据中华人民共和国林业行业标准《森林土壤pH值的测定》(LY/T1239-1999):称取通过2 mm筛孔的风干土样10 g于50m l高型烧杯中,加入25m l无二氧化碳的水。用玻璃棒剧烈搅动1 m in～2 m in并静置30m in,然后用pH计测定浸出液的pH值。由此可见,土壤的酸碱性是以水(土壤浸出液)的pH值来表征的。则土壤pH平均值计算模型还是需要在水化学的相关方法的基础上构建。

1 土壤pH平均值计算原理

土壤pH平均值应该反映的是若干个土壤浸出液混合后的“混合溶液”的pH值。在现实中,针对土壤化学的海量样本,不可能将所有的土壤浸出液都混合后再来测pH值,只能通过一定的模型来模拟混合过程,并计算“混合溶液”的pH值。

2 pH平均值计算模型研究现状

魏复盛[1]在北方城市降水监测结果中,比较了五种pH平均值计算方法,最终认为,国家环保局1986年颁布的《环境监测技术规范》(大气与废气)[2]中规定的降水pH平均值计算方法更为科学,且与国外方法一致,便于国际资料比较研究与交流。

降水氢离子浓度的雨量加权均值的负对数为:

式中 [H+]i与Vi分别为各降水样品的H+浓度及体积。

然而,关镜辉[3]却指在《环境监测技术规范》(大气与废气)中,pH平均值的计算有很大的局限性:它只适用于pH值小于7的平均值计算。关氏从溶液总[H+]和总[OH-]的中和平衡理论,以及剩余离子浓度的概念着眼,提出如下模型:

剩余离子浓度:

式中 [H+]i、[OH-]i、Vi分别为各样品的H+浓度和OH-浓度及体积。

该样本集合pH平均值计算分有以下情况:

(1)当A>0时:

(2)当A<0时:

臧宏远等[7]亦认为,pH平均值计算应基于酸碱中和平衡理论建立模型,但未提出具体公式,而是采用编程的方法实现求解,难以推广。

林华[6]通过混合模拟实验实测pH值,并与魏复盛、关镜辉、吴松恒[4]、庄世坚[5]等推荐的模型计算结果进行对比后最终认为,关氏模型理论依据充分,推导合理,与实际情况符合良好,值得推荐。

但作者认为,关氏模型还是有其不足之处:

(1)着眼于剩余离子浓度,是逆酸碱中和反应过程的思维,不便理解。

(2)最终的pH平均值计算还要分二种情况分别考虑,不便推广运用。

3 pH平均值计算新模型的构建

已知n个土壤样品的pH值,pHi、[H+]i、[OH-]i分别为各样品的pH值、H+浓度、OH-浓度。求这n个样品的pH平均值。

由pH值定义得公式(5)。

即[H+]i=10-pHi、[OH-]i=10pHi-14

依据各单样的酸碱中和平衡得公式(6)。

依据酸碱中和平衡理论,在不同pH的样品混合过程中,将达到新的酸碱平衡。而在达到这一平衡的过程中,必定有一部份H+与OH-中和。假设中和的这部份量为X(mo l/L),每个土壤浸出液体积均为V0(L)。

则混合溶液平衡前H+与OH-平均浓度分别为E、F:

由新的酸碱平衡得公式(8)。

求解公式(8)得公式(9):

由于X为中和的量,则0

由公式(8)及公式(11)求得平衡后的pH值为:

由公式(9)和公式(10)求解,得中和的量:

公式(12)即为所求n个土壤样品的pH平均值。

4 pH平均值计算新模型的应用与讨论

作者在本文中,选取了海南岛多目标区域地球化学调查项目中二十个土壤样品,其pH值如下:

十个偏酸性样本的pH值分别为:2.86、2.87、3.06、3.15、3.16、3.23、3.26、3.3、3.35、3.47。

十个偏碱性样本的pH值分别为:9.31、9.35、9.52、9.57、9.63、9.65、9.74、9.86、10.15、10.33 。

分别利用公式(12)及关氏模型,计算偏酸性样本,偏碱性样本,以及全体样本的pH平均值,并用公式(11)计算中和的量X,见表1。

表1 pH平均值及中和的量计算结果Tab.1 Calcu lating resultof pH average value

由表1可知:

(1)中和的量(X)现实存在,并能具体量化。当样本集合全为偏酸性或偏碱性样本时,X均较小;而样本集合中酸性、碱性样本均有时,X较大。这充分反映出新模型基于酸碱中和平衡理论的科学性与合理性。

(2)公式(12)与关氏公式的计算结果完全一致,而关氏公式计算结果的准确性,已经为林华等[6]通过实验证明。由此推论公式(12)的计算结果是准确的。

(3)无论A>0或A<0,关氏一式、关氏二式其计算结果是完全一致的。因此,关氏模型没有必要分为二部份。但因其着眼的变量为剩余离子浓度,导致其不得不分类讨论。新模型着眼于中和的量,计算公式只有一个,易于掌握和应用。

5 存在问题及结论

(1)由于客观条件限制,新模型未能通过模拟试验验证,只是通过与关氏模型的比较,间接证明了其准确性。

(2)pH平均值(尤其是背景值)计算,还涉及样本代表性等诸多因素,为突出主题,这里暂不详述。

(3)新模型基于水化学的酸碱中和理论,应用于“土壤浸出液”的pH平均值计算,也同样适用于水的pH平均值计算。

(4)新模型理论依据充分,计算方法简便,计算结果准确,值得推广。

成稿过程中得到何玉生、潘静玲等同志的帮助与指导,在此表示衷心的感谢!

[1]魏复盛.降水平均pH计算方法的比较研究[J].中国环境科学,1989,9(6):466.

[2]国家环保局.环境监测技术规范(第二册)[M].北京:国家环保总局,1986.

[3]关镜辉.论pH均值的算法[J].中国环境监测,1991,7(4):57.

[4]吴松恒.pH单项评价指数的探讨[J].中国环境监测,1991,7(1):62.

[5]庄世坚.关于pH平均值的正确算法[J].中国环境监测,1990,6(4):55.

[6]林华.pH均值计算述评及验证[J].环境科学导刊,2007,26(4):86.

[7]臧宏远.现行pH值平均值计算方法的不足与改进[J].中国环境监测,2004,20(4):25.

P 632

A

1001—1749(2010)06—0662—03

海南岛多目标区域地球化学调查(200414200010)

2010-05-27 改回日期:2010-10-09

张固成(1982-),男,本科,工程师,主要从事生态地球化学研究工作。