 |  |
Statistisk analys av skogsmark och älv-vatten
*UPPDATERAD 120118*
e-post till författaren
Inledning
Bästa läsare !
Sen-sommaren år 2000 åkte jag längs Norrlandskusten och mätte pH i vattnet vid flödena av sex Norrländska älvar, vid varje mätplats klassifierade jag närings halten i marken enligt ett botaniskt schema i fyra näringsklasser. Sedan hämtade jag koncentrationer för 20 ämnen från SLUs MarkInfo-service och skapade databasen pHgraf som har statistiska funktioner för översikt och enskilda diagram. Redan tidigt i analysen visade sig två grupper av ämnen, en grupp nedför höjdkurvan och en som stannar uppför. Slutsatserna ledde efter många funderingar till teorin om Kompetitiv Lösning Och Kristallisering (KLOK). Teorin säger att svårlösliga föreningar tävlar om de negativa joner som finns i marken med mer lättlösliga föreningar och har en utlakande och frisläppande effekt. Detta innebär att Icke-näringsämnen som Titan, Bly, Zirkonium och Barium genom svårlöslighet ger en sekundär närings frisläppande effekt på bla Kalcium, Magnesium och Kalium. Ämnena påverkar även pH i älv-vattnen. Projektet går vidare mot att optimera förhållandet mellan tillgänglighet och utlakning.
Kontakta gärna mig om du är intresserad av denna starka teori !
Detta första diagram visar hur lättlösliga (röd) föreningar är mer tillgängliga och mobila än svårlösliga (blå). Det vita fältet visar tiden som föreningen är löst i vatten och det svarta fältet tiden när föreningen är fast (bunden).
MVH
Joakim Forssman
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Data parametrar
Dessa tre parametrar har jag själv mätt sommaren år 2000 längs sex älvar med ca 20 km intervall vilket gav 28 mätplatser.
Variabeln "näring" är definierad ur ett vegetativt system baserat på vilka växter som trivs i den studerade jord-månen, grupperna är i stigande näringshalt: Ris-serien, Ekbräken-ris-serien, Örtris-serien och Ört-serien. Dessa finns beskrivna i skriften "NORDSVENSKA SKOGSTYPER" av Fredrik Ebeling utgiven av Sveriges Skogsvårdsförbund. Sammanfattning:KLICKA HÄR ! |
Dessa tjugo ämnen är hämtade från S.L.U.s hemsida (MarkInfo) för varje mätplats och har överförts geografiskt till programmet pHgraf.
Proverna är tagna i marken på 50cm djup.
Ämnen i skogsmark
|
Löslighetsprodukterna är hämtade från Gunnar Hägg Allmän och oorganisk kemi samt CRC Handbook och är definierade vid rumstemperatur.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Förklaring av Rxy vs pKs
Dessa diagram fungerar utifrån antagandet att korrelationerna i databasen "pHgraf" i stor utsträckning beror på kompetitiv lösning och kristallisering av flera föreningar vars löslighetsprodukter skapar en väv av samband.Den statistiska parametern Rxy (produktmomentkorrelationskoefficienten), som används i detta material visar styrkan av korrelationer mellan två variabler med för och nackdel att vitt skiljda storleks-förhållanden kan jämföras men utan direkt kvantitativt förhållande. Rxy varierar mellan minus ett för negativa samband, noll vid ingen korrelation och plus ett för positiva samband.
Genom att placera ämnen med kända pKs (löslighetsprodukt) i ökande löslighets-ordning på X-axeln med Rxy (produktmomentkorrelationskoefficienten) på Y-axeln så erhåller man ett diagram där koncentrationen för den studerade katjonens Rxy beräknat med linjär regression mot koncentrationen för ett ämne med en förening med känt pKs avsätts längs X-axeln.
Det svårlösliga (blå) ämnet har ett max Rxy (lika utlakning) mot svårlösliga ämnen och verkar utlakande mot lättlösliga ämnen (det svårlösliga kristalliserar och lämnar inte kvar anjoner tillräckligt till det lättlösliga som utlakas).
Det lättlösliga ämnet (röd) får sålunda ett Rxy min mot svårlösliga ämnen och ett max mot lättlösliga ämnen.
Att diagrammet visar nollkorrelation vid X-axelns slut betyder att ämne A är för svårlösligt för att deltaga och att ämne D är för lättlösligt för att deltaga i den kompetitiva processen.
Dessa samband går genom varandra för varje anjon och ger kombinationseffekter som kan ge skrynkliga diagram, vilket är naturligt. Så om ett ämne är svårlösligt i flera diagram stannar det uppströms, annars utlakas det i sin lättlösliga form.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Matematiska formler
Formler relaterade till härledningen av teorin KLOK Luleå 080326Genom att jämföra 28 mätplatser med vardera 23 parametrar samt beräkna statistisk samvarians mellan dessa utifrån löslighet, inverkan på pH i älv-vatten och näringshalt i mark.
Dessa formler ledde genom numerisk analys med programmet pHgraf, samt lösligheter för föreningar mellan nedanstående ämnen till teorin KLOK (Kompetitiv Lösning Och Kristallisering).
|
Katjoner (positiva)
|
Anjoner (negativa)
|
Genom att jämföra fördelnings-fenomen parallellt längs sex Norrlands-älvar syns ett tydligt mönster i fördelningen av katjonerna i tabellen, vilka tävlar om att bilda svårlösliga föreningar med anjonerna vilket syns som koherenta kurvor i diagram för löslighetsprodukterna. Vissa ämnen med svårlösliga föreningar verkar kompetitivt utlakande på ett antal näringsämnen och får sålunda en sekundär närings-frisläppande effekt. |
|
Detta diagram visar hur koncentrationen för det studerade ämnet varierar i förhållande till ämnen med kända pKs (löslighetsprodukt). Lösligheten ökande på X-axeln, från A till B med Rxy på Y-axeln. Punkt 1: Det studerade ämnet blir kompetitivt utlakat. Punkt 2: Ett simultant optima vid lika pKs. Punkt 3: Det studerade ämnet kristalliserar kompetitivt. Dessa fenomen påverkar fördelningen längs höjd-kurvan och tillgängligheten av växt-näring. |
|
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Hydroxiders inverkan
Hydroxider i minskande löslighets ordning: Cs,Rb,K,Na,Li,Ba,Sr,Ca,Mg,Be
genom att göra grafer utifrån dessa kan man jämföra övriga ämnen.
Diagrammet nedan har det statistiska Rxy på Y-axeln, plottade mot en serie hydroxider på X-axeln.
Klicka här för ett sådant diagram !
I diagrammet ovanför syns en samvariation i kurv-formerna som stämmer med den linjära korrelation som finns mellan de ämnen som orienterar sig likartat längs älvarnas flöden.
Magnesium och Kalium visar prydligt motsatta samband beroende på deras helt olika pKs. Järn,Vanadin, Magnesium och Titan visar en övergångs form på kurvorna, med enklare funktioner.Krom och Nickel har det starkaste inbördes linjära sambandet, och väldigt lika kurv-former mot Hydroxid-serien Mg,Ca,Sr,Ba,Na,K.
Diagrammet är starkt påverkat av andra processer !
Bly, Zink, Zirkonium och Kisel har ökande samband mot pH i älv-vatten under sen-sommaren (tid för mätningarna). Detta troligen beroende på hård bindning med Sulfid, vilket förhindrar försurande Hydroxid bildning. Kaliumhydroxid är för lättlöslig för att bildas, och påverkar inte pH.
Kontakta mig om du är intresserad!
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Sulfiders inverkan
Genom att plotta statistiska Rxy (visar styrkan av korrelationer) mot en X-axel med löslighetsprodukter (pKs) erhålls en begripligare kurvform för Sulfider.
Klicka här för ett sådant diagram !
De synergetiska effekterna mellan Barium,Kalcium,Natrium och Strontium visar sig som en sinus-formad sam-korrelation där först dessa ämnen blir kompetitivt utlakade av Koppar, Bly och Zink -sulfider för att sedan bli synergetiska mot Nickel och Järn men faller igen mot Mangan -Sulfid.
Zirkonium uppvisar en inverterad funktion, där synergi uppnås mot Bly och Zink -sulfid, vilket tyder på att Zirkonium har en svårlösligare Sulfid, även Titan har en kurvform som visar på samma svårlöslighet som Sulfid och har ett svagt positivt samband mot pH, Magnesium som har ungefär samma amplitud som Titan men en kurvform som indikerar lättlöslighet och har negativt samband mot pH i älv-vatten.
Dessa svårlösliga Sulfider verkar frigörande på de ämnen som finns till höger i diagrammet och har toppar där vilket leder till ökade spårmängder tillgänglig växt-näring. Dessutom leder dessa samband till utlakning längs höjd-kurvan.
Se Växt-näring !
Och Fördelnings fenomen !
Kalium och Kisel (finns i diagrammet nedanför) har liknande kurvformer som Bly Zink och Zirkonium och de har alla positiv korrelation mot pH i älv-vattnet vilket tyder på inhibering av Sulfids försurande (Hydroxidbildande) oxidation till Sulfat. Kalium och Kisel bildar polymer som Sulfider och blir därigenom att betrakta som svårlösliga.
Barium är lättlösligt som Sulfid och uppvisar kraftig utlakning vilket tyder på att Sulfider existerar i djupare jordlager, Barium har även en stark positiv korrelation mot växtnäring, vilket förmodligen beror på att svårlöslig Bariumsulfat hävdar sig i övre jordlager där små växter har sina rötter.
Klicka här för ett sådant diagram !
|
Reaktionsformel för Sulfids oxidation till Sulfat. 4 FeS2 + 15 O2 + 14 H2O → 4 Fe(OH)3 + 8 SO42- + 16 H+ Det är metallen som verkar försurande genom att bilda hydroxid. Övriga metaller som verkar försurande enligt databasen pHgraf: |
|
Barium är lättlösligt som Sulfid och har i pHgraf ett negativt samband mot mätplatsernas avstånd från älvarnas utlopp och negativt samband mot pH i älvarna, vilket visar på utlakning av Barium.
Koppar visar också negativt samband mot pH i älvarna (trots sin svårlöslighet som Sulfid), vilket kan förklaras med tetra-akva-koppar jonen som har en jämvikt som sänker pH, och / eller så beror det på att Kopparhydroxid är svårlösligt och bildar Hydroxid i motsvarande omfattning.
Reduktion av Mangan påverkas av de svårlösliga Sulfiderna genom den pH-höjning de orsakar, Mangan har därmed en intressant roll för redox-reaktioner i jord.
MnO2(s) + 2H2O + 2e- ↔ Mn(OH)2 + 2 OH-
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Sulfaters inverkan
Statistiska Rxy plottat mot löslighet för Sulfater.Klicka här för ett sådant diagram !
Barium är svårlösligt som Sulfat, och visar postitvt samband mot tillgänglig växtnäring, sålunda en sekundär närings frisläppning.
Krom och Nickel samkorrelerar även här och är troligen ganska lättlösliga som Sulfat,de skiljer sig från Titan, Zink och Zirkonium, vilket kan förklara de två grenarna i det första fördelnings-trädet.
Bly, Zink och Zirkonium har stigande samband mot pH och Kisel.
Kalium har en kurvform som tyder på att det är lättlösligt som Sulfat (Kalium följer höjdkurvan nedåt).
Se fördelnings-fenomen !
Jorden i ytlagret kallas oxidationzon, och har högre syrehalt, vilket leder till att Sulfatjonen dominierar det övre jordlagret.
Koppar är lättlösligt som Sulfat och har i pHgraf ett negativt samband mot mätplatsernas avstånd från älvarnas utlopp, vilket visar på utlakning av Koppar. Koppar i lösning sänker pH i egenskap av tetra-akva-koppar jonen.
Vid underskott av Syre och närvaro av organiska föreningar i sur miljö reduceras Sulfat mikrobiellt till Sulfid.
4 Fe(OH)3 + 4 SO42- + 9 CH2O + 8 H+ → 4 FeS + 9 CO2 + 19 H2O
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Karbonaters inverkan
Statistiska Rxy plottat mot löslighet för karbonater.Klicka här för ett sådant diagram !
Detta diagram är starkt påverkat av andra processer, men Kaliumkarbonat (Pottaska) har en topp vid Bariumkarbonat.
Att Pottaska (K2CO3) som är lösligt i vatten till 50 vikt% får en simultantopp vid lösligheten för Bariumkarbonat (BaCO3) som är svårlösligt i vatten beror på att de alkaliska jordartsmetallerna lättare binds kovalent med Ammoniak och bildar en Ammin-jon tex BaNH3+ och får i en Ammoniak-lösning en utlakning som liknar Pottaskans som endast är vattenlöslig.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Kromaters inverkan
Statistiska Rxy plottat mot löslighet för Kromater.Klicka här för ett sådant diagram !
Här syns åter synergin mellan Kalcium och Natrium respektive Krom och Nickel respektive Titan och Zirkonium.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Fosfaters inverkan
De Fosfater som visas i diagrammet visar blandannat att Kaliumfosfat är lättlösligt i förhållande till Nickelfosfat, som i sin tur ger positiv synergi mot Kromfosfat.Fosforoxid har en topp vid Järnfosfat.
Klicka här för ett sådant diagram !
Kalciumfosfat bildar Kalciumsulfat i sur miljö och närvaro av Sulfatjoner.
Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 → 3 CaSO4(s) + 2 H3PO4
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Kiselsyrans egenskaper
Kiselsyra, med formeln Si(OH)4 är mer lättflytande vid högre pH
(viskositeten kan påverka transport-hastigheten av lösta ämnen).
Försuring orsakar sålunda bla.lösta hydroxider men mindre mobilitet.
Transport av markvatten sker huvudsakligen genom sprickor i marken.
Kisel uppvisar fallande samband mot följande ämnen:
Al,P,Fe,Ca,Mg,Mn,Na,Ti,Ba,Cu,Cr,Mo,Ni,Sr,V
Kisel uppvisar stigande samband mot följande ämnen:
K,Pb,Zn,Zr vilka alla (inklusive Kisel) ökar med pH i älvarna.
En förklaring till detta pH-höjande fenomen finns i diagrammet här nedanför, där Kisel visar en positiv synergi mot Bly och Zink och kompetitiv utlakning av Nickel, Järn och Mangan antagligen i form av SiS2 även Koppar har ett negativt Rxy mot Kisel (CuSO4 är lättlösligt), detta innebär att Sulfiders oxidation till Sulfat (vilket frigör vätejoner) inhiberas av de svårlösliga Sulfiderna inklusive Kisel.
Klicka här för ett sådant diagram !
Kisel har negativt inflytande på växt-näring, vilket antagligen beror på att det skapats underskott av närings-ämnen genom kompetitiv utlakning. Vid rikligare halt av närings-ämnen i marken ger Kisel en utlakning med positiv inverkan på näring.
Koppar har två svårlösliga Sulfider (Cu I och II), i pHgraf syns fallande samband för Koppar mot pH och Kisel (Kisel har stigande samband mot pH i älv-vatten). Detta tyder på att Kiselsulfid kompetitivt utlakas av Kopparsulfid.
Kisel har ökande koncentration uppåt älvarna, vilket verifierar dess kompetitiva svårlöslighet.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Se periodiska systemet!
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 0 |
| H | He | ||||||||||||||||
| Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||
| Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||
| K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
| Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe |
| Cs | Ba | La | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| Fr | Ra | Ac |
Ämnen märkta med rött (se hydroxider och sulfider) är mest lättlösliga och samlas nedströms.
De gröna stannar uppströms.
Blåa ämnen uppvisar ökande samband mot pH i älv-vatten under sen-sommaren (när temperaturen sjunker) samt har inte fallande samband mot Kisel.
Mangan intar här ett undantag med sin pH-beroende redox-jämvikt, som bildar stabil MnO2 vid pH höjning och sålunda inte höjer pH trots en stigande Mn vs pH kurva.
