池塘裡的那些事兒（11） 水質調節之五
極端水質屬性的調節
前面說過，對於水質矯正而言，加易減難。B區缺碳酸鹼度、C區缺鈣硬度，D區兩種都缺，缺可以通過補充來解決。而水體中某些礦物過量，必須“拿掉”就沒那麼方便了，必須付出更大的代價才能矯正過來。
F區和G區就是極端水質。江河湖海中這種屬性的水體很少，造成這種極端屬性的原因是池塘土壤引起的，前者是酸性硫酸鹽土壤的池塘大量或長期使用石灰引起的，後者是鹽鹼地土壤土壤引起的。
上述這兩種水質屬性本身不適合於水產養殖，如果有選擇餘地的話，儘量避免在這樣的水質屬性進行養殖。還是那句老話，沒有養不了魚蝦的水，只是有沒有經濟效益而已。
F區的八大離子中主要是硫酸鈣，高水平的鈣導致碳酸鹽鹼度非常低，光合作用效率很低，難培藻，易倒藻。如果不降低鈣含量，根本無法提高鹼度。
儘管水體偏酸，但不能用石灰處理，如果使用石灰處理，pH在短時間內可以提高。而pH的提高又使原本只有少量碳酸氫根轉化為碳酸根，將所添加的石灰完全沉澱掉，過兩天pH又回到原位，這就是我們常說的“返酸”現象。
處理方法是根據八大離子平衡原則，採用鈉離子去平衡硫酸根，降低方程左邊的鈣，同時提高右邊的碳酸鹼度。
1、氫氧化鈉。氫氧化鈉加到水裡後，提高水體的pH，使［二氧化碳］［碳酸氫根］［碳酸根］緩衝系統向右移動，使空氣中的二氧化碳不斷進入水裡，產生更多的碳酸根，形成碳酸鈣沉澱，降低鈣離子水平。
2、碳酸鈉。碳酸鈉與硫酸鈣起反應產生硫酸鈉和碳酸鈣，過量的碳酸鈣發生沉澱，降低鈣離子水平。
3、碳酸氫鈉。碳酸氫鈉的作用與碳酸鈉相同，比碳酸鈉溫和，但用量差不多高一倍。
由於［鈣］X［碳酸］=常數（碳酸鈣溶度積），鈣少了，碳酸自然就會多出來。
G區水質屬性的調節。與F區相反，G區水中八大離子的組成主要是碳酸氫鈉，也就是人們常說的碳酸水。高水平的碳酸根限制了鈣的濃度，如果不降低鹼度，無法提高鈣的濃度。只有除掉一定數量的碳酸，才能提高鈣濃度以滿足養殖動物如對蝦生存生長的需要。
1、鹽酸。鹽酸降低pH，使上述碳酸鹽緩衝系統向左移動，使碳酸根轉化為碳酸氫根，碳酸氫根再轉化為二氧化碳並逸出水體，同時，鹽酸中的氯離子佔據了碳酸的位置，從而為鈣離子的溶解提供空間。
2、氯化鈣。氯化鈣與碳酸氫鈉反應，形成氯化鈉和碳酸鈣沉澱，從而降低碳酸鹽鹼度，為鈣的溶解提供空間。
總而言之，極端的水質屬性調節需要付出很大的代價，成本也很高。尤其是鹽鹼水，因為高鹼度本身對pH有很強的緩衝作用，意味著需要加入大量的鹽酸才能降低一點點pH。
池塘裡的那些事兒（12） pH的管理（1）
pH是水體中氫離子濃度的負對數（pH=-log［H+］）。pH每上升或降低1個單位，氫離子濃度相差10倍。
影響水體pH的因素包括水體屬性自身的pH（我們稱之為pH原點，由水體中陰陽離子當量平衡狀態所決定），以及水體中二氧化碳消長平衡（生物呼吸產生二氧化碳，pH下降，藻類或植物光合作用消耗二氧化碳，pH上升）。還有其它一些因素也會引起pH變化，如銨離子會引起pH上升，而銨轉化為硝酸後會引起pH下降，硝酸脫氮會引起pH上升。當然，生物的呼吸作用和光合作用對pH的影響是最大的。我們日常在池塘水體檢測到的pH值是一個表觀綜合數值。
池塘中日常pH的管理（調控）包括兩個層次或內容：一個是pH調節，另一個是pH控制。pH調節是指對水體屬性的矯正，即對pH原點的調整；pH控制是對pH變化的幅度、漂移方向的控制，本質上是通過對生物活性（光合作用和呼吸作用）的調節來控制二氧化碳的消長，從而干預pH的走向。
水體中pH的緩衝體系是碳酸體系。因此，必須瞭解碳酸體系，才能實現對pH的科學調控。
封閉條件下，給定溶解無機碳（DIC）的濃度，隨著pH的變化，水體中的二氧化碳、碳酸氫根、碳酸根之間的比例發生相應的變化（圖3）。這是大家所熟悉的。
圖3
圖3、封閉條件下平衡時溶解無機碳（二氧化碳、碳酸氫根、碳酸根）與pH的關係。
但是，池塘是“半開放”的體系，之所以說是半開放，是因為水體中的二氧化碳與大氣中的二氧化碳之間存在著交換，但又很難短時間內達到平衡狀態。
很多人沒有真正理解圖3，總以為當pH高於8.3時，水體中“沒有二氧化碳”，其實，在開放體系下，與大氣平衡時，水體中二氧化碳的濃度是不隨pH的變化而變化的（圖4）。在給定溫度、鹽度的情況下，二氧化碳的濃度只與大氣二氧化碳濃度（pCO2）和二氧化碳溶解常數（k0）有關（［CO2］=pCO2Xk0）。
圖4、開放條件下平衡時溶解無機碳（二氧化碳、碳酸氫根、碳酸根）與pH的關係。
圖4
從圖4可以看出，水體中溶解的無機碳隨著pH的上升而上升。
從圖4可以看出，pH7.5以下水體中的溶解的無機碳含量很低，根本滿足不了光合作用的需要，而當pH高於8.5時，碳酸根含量開始上升，可能又對養殖動物有不良影響（圖4的鹽度是千份之一，鹽度不同碳酸根拐點不同）。這就解釋了一般池塘水質pH為什麼要在7.5～8.5之間。
池塘裡的那些事兒（13） pH的管理（2）
要管理好pH，首先要明白pH為什麼變化？變化規律是什麼？所以，必須瞭解一下相關的理論和相關的術語：
總鹼度（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於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於二氧化碳的消耗，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變化幅度取決於總鹼度的濃度，總鹼度越高，pH變化幅度越小。也就是說，總鹼度對pH有比較強的緩衝作用。
當水體中的二氧化碳濃度等於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，但由於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。
池塘裡的那些事兒（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的調節必然牽涉到鹼度和硬度，特別是鈣硬度。例如，A區和D區是鹼度、硬度、pH同時調節的；B區是鹼度、pH同時調節，可對硬度進行微調；C區只調節硬度，也可微調鹼度；F區是提高pH、提高鹼度的同時降低硬度，而G區是降低pH、提高硬度的同時降低鹼度。不同屬性的水質調節各不相同。
很多養殖朋友都會問，到底我的池塘水鹼度、鈣硬度、pH該怎麼調節？用什麼物質調節？用量多少？能調節到什麼程度，哪個點是最佳的？
由於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，能對症下藥嗎？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，計算也十分複雜，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，並使pH落在養殖動物適應的範圍內。
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。
池塘裡的那些事兒（15） pH的管理（4）
A區和D區的pH優化和調節。
A區和D區鈣硬度和鹼度比較接近，對於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。對於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裡，水合後形成 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），水體總鹼度（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澱臨界點。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］）就是調節後的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區鹼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後，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，對於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，避免由於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，這樣會影響鹼度的提升。或許，我們不需要這麼高的鈣硬度，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鹼度以便提高光合作用效率。那麼，我們可以鎖定鈣硬度去計算總鹼度。
假設我們設定鈣濃度為［Ca］+ a，（a
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