土壤可以被認(rèn)為是植物養(yǎng)分的倉庫。許多營養(yǎng)物質(zhì)，例如鈣和鎂，可以僅從土壤中的儲備中提供給植物。其他如鉀作為肥料定期添加到土壤中，目的是根據(jù)作物的需要提取。土壤儲存一組特定養(yǎng)分（陽離子）的相對能力被稱為陽離子交換能力或 CEC。
土壤由沙子、淤泥、粘土和有機(jī)物質(zhì)的混合物組成。粘土和有機(jī)物質(zhì)顆粒都帶有凈負(fù)電荷。因此，這些帶負(fù)電的土壤顆粒會吸引并保持帶正電的顆粒，就像磁鐵的相反兩極相互吸引一樣。出于同樣的原因，它們會排斥其他帶負(fù)電的粒子，就像磁鐵的兩極相互排斥一樣。
土壤中養(yǎng)分元素的形態(tài)
帶電荷的元素稱為離子。帶正電的離子是陽離子；帶負(fù)電的是陰離子。
見的土壤陽離子（包括它們的化學(xué)符號和電荷）是：鈣 (Ca ++ )、鎂 (Mg ++ )、鉀 (K+)、銨 (NH 4 +)、氫 (H + ) 和鈉 (Na + )。請注意，某些陽離子具有不止一個正電荷。
常見的土壤陰離子（及其符號和電荷）包括：氯 (Cl - )、硝酸鹽 (NO 3 - )、硫酸鹽 (SO 4 = ) 和磷酸鹽 (PO 4 3- )。另請注意，陰離子可以具有多個負(fù)電荷，并且可以是元素與氧的組合。
定義陽離子交換容量
土壤中黏土和有機(jī)質(zhì)顆粒上的陽離子可以被其他陽離子取代；因此，它們是可交換的。例如，鉀可以被鈣或氫等陽離子代替，反之亦然。
土壤可以保持的陽離子總數(shù)——或它的總負(fù)電荷——是土壤的陽離子交換能力。CEC 越高，負(fù)電荷越高，可容納的陽離子越多。
CEC 以每 100 克土壤的毫當(dāng)量 (meq/100g) 衡量。一個 meq 是總電荷量特定的離子數(shù)。例如，在鉀 (K + )的情況下，一毫當(dāng)量的 ??K 離子約為 6 x 10 20正電荷。另一方面，對于鈣，一毫當(dāng)量的 ??Ca ++也是 6 x 10 20 正電荷，但只有3 × 1020 個離子，因為每個 Ca 離子都有兩個正電荷。
以下是常見的土壤養(yǎng)分陽離子和等于 1 meq/100g 的每英畝磅數(shù)：
鈣 (Ca ++ ) - 400 磅/英畝
鎂 (Mg ++ ) - 240 磅/英畝
鉀 (K + ) 780 磅/英畝
銨 (NH 4 + ) - 360 磅/英畝
測量陽離子交換容量
由于土壤的 CEC 來自存在的粘土和有機(jī)物質(zhì)，因此可以通過土壤質(zhì)地和顏色來估計。表 1 列出了一些基于顏色和質(zhì)地的土壤組、每組中的代表性土壤系列以及這些土壤上常見的 CEC 值測量。
表 1. 常見顏色/質(zhì)地土壤組的 CEC 值的正常范圍。
中電
土壤組 示例 meg/100g
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淺色沙灘Plainfield 3-5
布盧姆菲爾德
深色沙子 Maumee 10-20
吉爾福德
淺色壤土和克萊蒙-邁阿密 10-20
粉砂壤土邁阿密
深色壤土和 Sidell 15-25
粉砂壤土 Gennesee
深色粉質(zhì)粘土 Pewamo 30-40
壤土和粉質(zhì)粘土 Hoytville
有機(jī)土壤 Carlisle 淤泥 50-100
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陽離子交換能力通常在土壤測試實驗室通過兩種方法之一進(jìn)行測量。直接的方法是用單一陽離子如銨 (NH 4 + ) 代替交換位點上的正常陽離子混合物，用另一種陽離子代替可交換的 NH 4 +，然后測量交換的 NH 4 +的量。（這是土壤的承載量）。
更常見。土壤測試實驗室通過將土壤測試過程中測得的鈣、鎂和鉀與從緩沖液 pH 值中獲得的可交換氫的估計值相加來估計 CEC。通常，通過這種求和方法得出的 CEC 值會略低于通過直接測量獲得的值。
緩沖容量和基礎(chǔ)飽和度百分比
土壤交換位點上的陽離子作為土壤水中那些被植物根部去除或因浸出而流失的土壤水的再補給來源。CEC 越高，可提供的陽離子越多。這稱為土壤的緩沖能力。
陽離子可分為酸性（形成酸）或堿性。常見的酸性陽離子是氫和鋁；常見的堿性物質(zhì)是鈣、鎂、鉀和鈉。CEC 上酸和堿的比例稱為堿飽和度百分比，可按下式計算：
交換站點上的堿基總數(shù)
百分比 base =(即，meq Ca ++ meq Mg ++ + meq K + )
飽和度 ------------------------------- x 100
陽離子交換容量
堿飽和度的概念很重要，因為交換位點上酸和堿的相對比例決定了土壤的 pH 值。隨著Ca ++和Mg ++離子數(shù)量的減少以及H +和Al +++離子數(shù)量的增加，pH 值下降。添加石灰石用堿性鈣和鎂陽離子代替酸性氫和鋁陽離子，這增加了堿飽和度并提高了pH值。
在中西部土壤的情況下，在交換位點發(fā)現(xiàn)的實際陽離子混合可能會有顯著差異。然而，在大多數(shù)情況下，Ca ++和 Mg ++是主要的堿性陽離子，并且濃度高于 K +。通常，中西部土壤中的鈉含量很少。
CEC與施肥實踐的關(guān)系
對于陽離子交換能力差異很大的土壤，推薦的石灰和施肥方法會有所不同。例如，在正常管理下，具有高 CEC 和高緩沖能力的土壤比低 CEC 土壤更慢地改變 pH 值。因此，高 CEC 的土壤通常不需要像低 CEC 的土壤那樣頻繁地施石灰；但是當(dāng)它們變酸并需要石灰時，需要更高的石灰用量才能達(dá)到 pH 值。
CEC 還可以影響施氮肥和鉀肥的時間和頻率。例如，在低 CEC 土壤（小于 5 兆克/20000 克）上，可能會發(fā)生一些陽離子浸出。在這些土壤上秋季施用銨態(tài)氮和鉀可能會導(dǎo)致根區(qū)以下的一些浸出，特別是在具有低 CEC 底土的沙質(zhì)土壤的情況下。因此，春季施肥可能意味著提高生產(chǎn)效率。此外，不建議在低 CEC 土壤上使用多年鉀肥。
另一方面，CEC 含量較高的土壤（大于 10 兆克/100 克）幾乎沒有陽離子浸出，因此秋季施用 N 和 K 成為現(xiàn)實的替代方案。在這些土壤上也可以有效地為兩種作物施用鉀肥。因此，排水等其他因素將對用于高 CEC 土壤的肥力管理實踐產(chǎn)生更大的影響。
概括
土壤的陽離子交換能力決定了土壤可以容納的帶正電荷的陽離子的數(shù)量。反過來，這會對土壤的肥力管理產(chǎn)生重大影響。
