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容和科學數據相結合，將多年針對國內南美白對蝦養殖的研究成果歸納編寫而成。我們獲得林老師授權連載該書內容！” 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？變化規律是什么？所以，必須了解一下相關的理論和相關的術語： 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，方括號表示濃度，下同。 二氧化碳（CO2）、碳酸離解常數（k1），碳酸氫根離解常數（k2）且 ［HCO3］=［CO2］k1/［H］……（2） ［CO3］=［HCO3］k2/［H］=［CO2］k1k2/［H］^2……（3） 水的電離常數（kW），大氣二氧化碳濃度（pCO2），二氧化碳溶解常數（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］濃度相應降低，pH上升。夜間或陰天光合作用停止或下降，呼吸作用產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］濃度相應增加，pH下降。這就是池塘水體pH 24小時的變化模式。 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，總堿度對pH有比較強的緩沖作用。 當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，水體的pH就是pH原點。即（方程5代入方程6）有 ［H］^3 +［TA］［H］^2 -（k0pCO2k1 + kW）［H］- 2k0pCO2k1k2 = 0 ……（7） 需要說明的是，方程中的所有參數，k0、k1、k2、kW都是鹽度和溫度的函數，也就是說，鹽度和溫度不同，上述參數的值都不同（可查表）。其次，很多論文上大氣二氧化碳平均濃度是按350ppm計算的，但由于近年來大氣二氧化碳濃度上升，根據網絡資料，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的調節。 pH的調節本質上是四大陽離子和四大陰離子當量平衡度的調節。換句話說，pH的調節是通過八大離子之間比例的調節來實現的。 因此，pH的調節必然牽涉到堿度和硬度，特別是鈣硬度。例如，A區和D區是堿度、硬度、pH同時調節的；B區是堿度、pH同時調節，可對硬度進行微調；C區只調節硬度，也可微調堿度；F區是提高pH、提高堿度的同時降低硬度，而G區是降低pH、提高硬度的同時降低堿度。不同屬性的水質調節各不相同。 很多養殖朋友都會問，到底我的池塘水堿度、鈣硬度、pH該怎么調節？用什么物質調節？用量多少？能調節到什么程度，哪個點是最佳的？ 由于不同池塘水體的水質屬性不同，調節的手段、劑量、所能達到的水平以及最佳點都不一樣，因此，很難回答，甚至可以說無法回答上面的問題。 那池塘水質是不是意味著沒辦法精確調節了？那也不是。池塘水質是可以精確調節的，只是需要知道池塘水質屬性才能精確調節。就像給人調理身體一樣，要先把脈診斷，才能正確地開出有效的處方！如果一個人沒幫你把脈，就給你開藥方，能對癥下藥嗎？閉著眼睛隨便給你開的藥你敢服用嗎？ 池塘水質是可以精確調節的，只是需要數據，計算也十分復雜，需要有一定水平的化學、生物化學和數學知識。 水質調節中牽涉到的術語除了前面講過的 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，或稱碳酸鈣溶度積（kSPCaCO3），同樣，碳酸鈣飽和常數也是溫度和鹽度的函數（從接近純淡水到標準海水相差接近100倍！）。 水質調節或pH調節的目標是將水體八大離子中的碳酸根和鈣離子調節到碳酸鈣飽和的臨界狀態，并使pH落在養殖動物適應的范圍內。 因此，水質調節精確的化學計量基本方程包括： ［Ca］［CO3］= kSPCaCO3 ……（8） 根據［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） 以及達到碳酸鈣飽和臨界點所帶來的pH原點變化， ［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） 聯立方程10和方程11，就可以解決各種不同水質屬性的調節方法和精確的化學計量。 池塘里的那些事兒（15） pH的管理（4） A區和D區的pH優化和調節。 A區和D區鈣硬度和堿度比較接近，對于A區而言，如果碳酸鈣還沒達到飽和，可以用石灰（氧化鈣，CaO）優化。對于D區而言，需要用比較大量的石灰調節，才能將D區調節到A區，計算方法是相同的。 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生碳酸氫根（HCO3）和碳酸根（CO3），水體總堿度（TA）增加 2 摩爾。 假設池塘中施入 x 摩爾的石灰，水中碳酸鈣可以達到沉淀臨界點。根據方程（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的代數式，代入方程（11a），解出［H］的值，該值的負對數（-log［H］）就是調節后的pH原點。將［H］的值代入方程（10a），解出石灰的用量x。 將該水體調節到碳酸鈣飽和臨界點所需要的石灰的量是=56x（克/升）。其中56是石灰的分子量。 導致D區堿度和鈣硬度偏低的原因有可能是池塘土壤缺鈣，當水體中鈣濃度提高后，會與土壤進行離子交換，導致水體鈣的流失。因此，需要進行多次調節。 此外，對于D區而言，可能需要大劑量的石灰，如果池塘已經在進行養殖，石灰的使用必須根據水體中氨氮的濃度掌握科學的劑量，避免由于pH變化過大或分子氨過高而造成對魚蝦的傷害或甚至死亡。 如果水體硬度都是鈣硬度，這樣會影響堿度的提升。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取代鈣硬度，適當降低鈣硬度可以進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算總堿度。 假設我們設定鈣濃度為［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。