林文輝老師專欄—池塘里的那些事兒（13-15）

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“林文輝老師著的《池塘里的那些事兒》采用通俗易懂的文字內(nèi)容和科學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，將多年針對(duì)國(guó)內(nèi)南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖的研究成果歸納編寫而成。我們獲得林老師授權(quán)連載該書內(nèi)容！” 池塘里的那些事兒（13） pH的管理（2） 要管理好pH，首先要明白pH為什么變化？變化規(guī)律是什么？所以，必須了解一下相關(guān)的理論和相關(guān)的術(shù)語(yǔ)： 總堿度（TA）、碳酸氫根（HCO3）、碳酸根（CO3）、羥離子（OH）、氫離子（H），且 ［TA］=［HCO3］+ 2［CO3］+［OH］-［H］……（1） 單位：摩爾/升，方括號(hào)表示濃度，下同。 二氧化碳（CO2）、碳酸離解常數(shù)（k1），碳酸氫根離解常數(shù)（k2）且 ［HCO3］=［CO2］k1/［H］……（2） ［CO3］=［HCO3］k2/［H］=［CO2］k1k2/［H］^2……（3） 水的電離常數(shù)（kW），大氣二氧化碳濃度（pCO2），二氧化碳溶解常數(shù)（k0），且 ［OH］= kW/［H］……（4） ［CO2］= k0pCO2……（5） 將方程（2）、（3）、（4）代入方程（1）得： ［TA］=［CO2］（［H］k1+2k1k2）/［H］^2 + kW/［H］-［H］ 整理得： ［H］^3 +［TA］［H］^2 -（［CO2］k1 + kW）［H］- 2［CO2］k1k2 = 0 ……（6） 解出上述一元三次方程中［H］，pH=-log［H］。 在方程6中可以見到，［H］的濃度變化是隨著［CO2］而變化的。白天浮游植物光合作用吸收水體中的二氧化碳的速度大于水體中各種生物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳，造成水體的二氧化碳的濃度降低，為了維持方程兩邊的平衡，［H］濃度相應(yīng)降低，pH上升。夜間或陰天光合作用停止或下降，呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳的速度大于二氧化碳的消耗，造成水體中二氧化碳的濃度上升，為了維持方程兩邊的平衡，［H］濃度相應(yīng)增加，pH下降。這就是池塘水體pH 24小時(shí)的變化模式。 其次，單位二氧化碳變化所引起的pH變化幅度取決于總堿度的濃度，總堿度越高，pH變化幅度越小。也就是說(shuō)，總堿度對(duì)pH有比較強(qiáng)的緩沖作用。 當(dāng)水體中的二氧化碳濃度等于k0pCO2，即水體中的二氧化碳濃度與大氣二氧化碳濃度平衡時(shí)，水體的pH就是pH原點(diǎn)。即（方程5代入方程6）有 ［H］^3 +［TA］［H］^2 -（k0pCO2k1 + kW）［H］- 2k0pCO2k1k2 = 0 ……（7） 需要說(shuō)明的是，方程中的所有參數(shù)，k0、k1、k2、kW都是鹽度和溫度的函數(shù)，也就是說(shuō)，鹽度和溫度不同，上述參數(shù)的值都不同（可查表）。其次，很多論文上大氣二氧化碳平均濃度是按350ppm計(jì)算的，但由于近年來(lái)大氣二氧化碳濃度上升，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資料，目前全球大氣二氧化碳的平均濃度是400 ppm。 池塘里的那些事兒（14） pH的管理（3） pH的調(diào)節(jié)。 pH的調(diào)節(jié)本質(zhì)上是四大陽(yáng)離子和四大陰離子當(dāng)量平衡度的調(diào)節(jié)。換句話說(shuō)，pH的調(diào)節(jié)是通過(guò)八大離子之間比例的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因此，pH的調(diào)節(jié)必然牽涉到堿度和硬度，特別是鈣硬度。例如，A區(qū)和D區(qū)是堿度、硬度、pH同時(shí)調(diào)節(jié)的；B區(qū)是堿度、pH同時(shí)調(diào)節(jié)，可對(duì)硬度進(jìn)行微調(diào)；C區(qū)只調(diào)節(jié)硬度，也可微調(diào)堿度；F區(qū)是提高pH、提高堿度的同時(shí)降低硬度，而G區(qū)是降低pH、提高硬度的同時(shí)降低堿度。不同屬性的水質(zhì)調(diào)節(jié)各不相同。 很多養(yǎng)殖朋友都會(huì)問(wèn)，到底我的池塘水堿度、鈣硬度、pH該怎么調(diào)節(jié)？用什么物質(zhì)調(diào)節(jié)？用量多少？能調(diào)節(jié)到什么程度，哪個(gè)點(diǎn)是最佳的？ 由于不同池塘水體的水質(zhì)屬性不同，調(diào)節(jié)的手段、劑量、所能達(dá)到的水平以及最佳點(diǎn)都不一樣，因此，很難回答，甚至可以說(shuō)無(wú)法回答上面的問(wèn)題。 那池塘水質(zhì)是不是意味著沒(méi)辦法精確調(diào)節(jié)了？那也不是。池塘水質(zhì)是可以精確調(diào)節(jié)的，只是需要知道池塘水質(zhì)屬性才能精確調(diào)節(jié)。就像給人調(diào)理身體一樣，要先把脈診斷，才能正確地開出有效的處方！如果一個(gè)人沒(méi)幫你把脈，就給你開藥方，能對(duì)癥下藥嗎？閉著眼睛隨便給你開的藥你敢服用嗎？ 池塘水質(zhì)是可以精確調(diào)節(jié)的，只是需要數(shù)據(jù)，計(jì)算也十分復(fù)雜，需要有一定水平的化學(xué)、生物化學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)。 水質(zhì)調(diào)節(jié)中牽涉到的術(shù)語(yǔ)除了前面講過(guò)的 TA、HCO3、CO3、CO2、H、OH、k0、k1、k2、kW、pCO2外，還有鈣離子（Ca）碳酸鈣飽和常數(shù)，或稱碳酸鈣溶度積（kSPCaCO3），同樣，碳酸鈣飽和常數(shù)也是溫度和鹽度的函數(shù)（從接近純淡水到標(biāo)準(zhǔn)海水相差接近100倍�。�。 水質(zhì)調(diào)節(jié)或pH調(diào)節(jié)的目標(biāo)是將水體八大離子中的碳酸根和鈣離子調(diào)節(jié)到碳酸鈣飽和的臨界狀態(tài)，并使pH落在養(yǎng)殖動(dòng)物適應(yīng)的范圍內(nèi)。 因此，水質(zhì)調(diào)節(jié)精確的化學(xué)計(jì)量基本方程包括： ［Ca］［CO3］= kSPCaCO3 ……（8） 根據(jù)［TA］=［HCO3］+ 2［CO3］+ kW/［H］-［H］ 可得： ［TA］=［CO3］（［H］/k2 + 2）+ kW/［H］-［H］ 即 ［CO3］=（［TA］- kW/［H］+［H］）/（［H］/k2 + 2）……（9） 以及達(dá)到碳酸鈣飽和臨界點(diǎn)所帶來(lái)的pH原點(diǎn)變化， ［TA］= k0pCO2（k1［H］+ 2k1k2）/［H］^2 + kW/［H］+［H］……（10） 將方程9代入方程8，有 ［Ca］（［TA］- kW/［H］+［H］）/（［H］/k2 + 2）= kSPCaCO3 ……（11） 聯(lián)立方程10和方程11，就可以解決各種不同水質(zhì)屬性的調(diào)節(jié)方法和精確的化學(xué)計(jì)量。 池塘里的那些事兒（15） pH的管理（4） A區(qū)和D區(qū)的pH優(yōu)化和調(diào)節(jié)。 A區(qū)和D區(qū)鈣硬度和堿度比較接近，對(duì)于A區(qū)而言，如果碳酸鈣還沒(méi)達(dá)到飽和，可以用石灰（氧化鈣，CaO）優(yōu)化。對(duì)于D區(qū)而言，需要用比較大量的石灰調(diào)節(jié)，才能將D區(qū)調(diào)節(jié)到A區(qū)，計(jì)算方法是相同的。 將 1 摩爾石灰施到池塘水里，水合后形成 1 氫氧化鈣［Ca（OH）2］，水解產(chǎn)生 1 摩爾鈣離子（Ca）和 2 摩爾羥離子（OH） CaO + H2O —> Ca + 2OH 羥離子吸收二氧化碳產(chǎn)生碳酸氫根（HCO3）和碳酸根（CO3），水體總堿度（TA）增加 2 摩爾。 假設(shè)池塘中施入 x 摩爾的石灰，水中碳酸鈣可以達(dá)到沉淀臨界點(diǎn)。根據(jù)方程（10）和（11）有： ［TA］+ 2x = k0pCO2（k1［H］+ 2k1k2）/［H］^2 + kW/［H］+［H］……（10a） （［Ca］+ x ）（［TA］+ 2x - kW/［H］+［H］）/（［H］/k2 + 2）= kSPCaCO3 ……（11a） 重排方程（10a），得x的代數(shù)式，代入方程（11a），解出［H］的值，該值的負(fù)對(duì)數(shù)（-log［H］）就是調(diào)節(jié)后的pH原點(diǎn)。將［H］的值代入方程（10a），解出石灰的用量x。 將該水體調(diào)節(jié)到碳酸鈣飽和臨界點(diǎn)所需要的石灰的量是=56x（克/升）。其中56是石灰的分子量。 導(dǎo)致D區(qū)堿度和鈣硬度偏低的原因有可能是池塘土壤缺鈣，當(dāng)水體中鈣濃度提高后，會(huì)與土壤進(jìn)行離子交換，導(dǎo)致水體鈣的流失。因此，需要進(jìn)行多次調(diào)節(jié)。 此外，對(duì)于D區(qū)而言，可能需要大劑量的石灰，如果池塘已經(jīng)在進(jìn)行養(yǎng)殖，石灰的使用必須根據(jù)水體中氨氮的濃度掌握科學(xué)的劑量，避免由于pH變化過(guò)大或分子氨過(guò)高而造成對(duì)魚蝦的傷害或甚至死亡。 如果水體硬度都是鈣硬度，這樣會(huì)影響堿度的提升。或許，我們不需要這么高的鈣硬度，我們可以用部分鎂硬度來(lái)取代鈣硬度，適當(dāng)降低鈣硬度可以進(jìn)一步提高總堿度以便提高光合作用效率。那么，我們可以鎖定鈣硬度去計(jì)算總堿度。 假設(shè)我們?cè)O(shè)定鈣濃度為［Ca］+ a，（a<x）。y為鎂濃度，則總堿度提高2（a+y），代入上述兩個(gè)方程，求出y的值。如果a>y，則需要投入184.3y（克/升）的碳酸鈣鎂（白云石粉）和56（a - y）（克/升）石灰。如果y>a，則需要投入184.3a（克/升）白云石粉和86.3（y - a）（克/升）碳酸鎂。