阳离子交换和阳离子交换容量


阳离子交换和阳离子交换容量

什么是阳离子交换和阳离子交换容量?

土壤粘土矿物和有机物质往往带负电,因此通过静电力在其表面吸引带正电的离子(阳离子)。结果,阳离子保留在土壤根部区域内并且不容易通过浸出而丢失。吸附的阳离子很容易与土壤溶液中的其他阳离子交换,因此称为“阳离子交换”。当浓度因植物根部吸收而降低时,吸附的阳离子补充土壤溶液中的离子。

阳离子交换容量 (CEC) 是衡量土壤中吸附植物营养阳离子如钙 (Ca2+)、镁 (Mg2+< /sup>) 和钾 (K+)。因此,CEC 是土壤的一种特性,描述了它向土壤溶液提供养分阳离子以供植物吸收的能力。图 1 说明保留在土壤粘土矿物上的阳离子可以与土壤溶液中的阳离子交换。植物根部可以从土壤溶液中去除养分,从而导致养分从粘土颗粒中移走。向土壤中添加肥料会导致土壤溶液中养分浓度的初始增加,从而导致养分向粘土颗粒移动。

植物使用最多的营养阳离子是钾 (K+)、钙 (Ca2+) 和镁 (Mg2+)。吸附在交换位点的其他阳离子是铵 (NH4+)、钠 (Na+)、氢 (H+)、铝 (Al3+)、铁(Fe2+ 或 Fe3+)、锰(Mn2 +)、铜 (Cu2+) 和锌 (Zn2+)。微量元素阳离子如锌、铜、铁和锰在土壤中的浓度通常非常低。铵浓度通常也非常低,因为微生物在称为硝化作用的过程中将铵转化为硝酸盐。

CEC 如何随土壤 pH 值变化

Schematic diagram showing exchange of cations between the soil surfaces and the soil solution, and the movement of these cations from clay particles to roots (rhizosphere) for uptake by the root hairs. 图 1. 土壤表面和土壤溶液之间阳离子交换的示意图,以及这些阳离子从土壤溶液到根(根际)的运动以进行吸收。

土壤有机质和一些粘土矿物的 CEC 随 pH 值变化。 通常,CEC 在土壤 pH 值为 3.5 到 4.0 时最低,并随着酸性土壤加石灰而增加,如图 2 所示。由于 CEC 可能随土壤 pH 值变化很大,因此测量土壤的 CEC 的 pH 值为 7.0。 另请注意,在低 pH 值下,特定土壤矿物表面可能会出现一些正电荷。 这些正电荷保留阴离子(带负电荷的离子),例如氯离子 (Cl-) 和硫酸根 (SO42-)。

从常规土壤测试计算阳离子交换容量

典型土壤测试实验室报告中包含的 CEC 值是通过将使用适当提取方法从土壤中提取的钾、镁、钙、钠和氢的浓度(以每 100 克土壤的电荷毫当量表示)相加计算得出的 . 佐治亚大学土壤测试实验室使用基于双酸(0.05 N HCl + 0.025 N H2SO4)提取溶液的 Mehlich I 程序。 这种方法适用于佐治亚州常见的酸性、低 CEC 土壤。 使用 Mehlich I 提取物无法令人满意地分析含有大量粘土或有机物或碱性土壤的 CEC。 这些类型的土壤应采用其他土壤提取方法。

diagram showing three types of soils pH levels: 3.5 (less negatively charged, 5.3 (mostly negativele charged), and 7.0 (negatively charged) 图 2。 pH值对土壤表面电荷及其成分的影响。


土壤中的典型 CEC

在大多数土壤报告中,CEC 表示为每 100 克土壤的电荷(电荷数)毫当量 (meq)(使用国际科学单位时,meq/100 g 或 cmol/kg)。 使用毫当量数而不是吸附阳离子的重量(磅、克等),因为 CEC 代表电荷总数,这是比较不同土壤的更好标准,因为每个阳离子种类都有不同的重量和土壤 不同阳离子种类的比例不同。

表 1 显示了土壤粘土矿物和各种质地土壤的典型阳离子交换能力。 由于土壤是由不同粒径(沙子、淤泥和粘土)、粘土矿物类型和有机质以不同比例混合而成,主要成分和土壤 pH 值决定了土壤的 CEC

表 1. 不同土壤类型、质地和土壤有机质在 pH 7.0 时的阳离子交换能力。
土壤和土壤成分 CEC (meq/100 g)
粘土类型  
高岭石 3-15
伊利石 15-40
蒙脱石 80-100
土壤质地  
沙子 1-5
细砂壤土 5-10
壤土 5-15
粘壤土 15-30
粘土 >30
有机物 200-400

土壤的 CEC 和肥力特征

出于实用目的,佐治亚州的土壤分为四大类:(1) 沿海平原,(2) 山麓,(3) 山地和石灰岩山谷,以及 (4) 来自景观、高尔夫球场、温室和花坛的土壤。 这些类别有助于更轻松地评估生育能力。 下表描述了每个土壤组的 CEC 和一般肥力特征(佐治亚州土壤测试手册,2008 年)。

土壤组 CEC 和土壤肥力特征
沿海平原(包括大西洋平原和沙丘) 土壤表面为沙质,CEC 为 6 meq/100 g 或更低。原始状态下的土壤可能呈酸性且贫瘠。土壤的粘土含量、排水特性和颜色会有所不同。土壤在生产力、易处理性和适应大田作物生产方面会有所不同。典型的土壤类型是诺福克、莱克兰、林奇堡和蒂夫顿。
山麓土壤 土壤主要是高地、排水良好的红壤,CEC 为 6 至 12 meq/100 g。原生状态的土壤呈酸性,磷含量低,但钾含量高于沿海平原土壤。主要的土壤系列是塞西尔、麦迪逊和戴维森。
山区和石灰岩山谷土壤 土壤可能有一个灰色的沙质表面,下面是重红色沙质粘土或粘土质地的土壤。冲积阶地和河底为灰色至浅棕色,底土为黄色至暗红色的砂质粘壤土。土壤呈酸性,肥力低。这些土壤的平均 CEC 值为 9 meq/100 g。主要的土壤类型是波特斯、海斯维尔、塔拉迪加、范宁、康加里、克拉克斯维尔、富勒顿、杜威和迪凯特。
来自景观和高尔夫球场的土壤 这些土壤的维护方式通常与作物土壤不同,通常是人工构建和维护的。许多人的生育能力不稳定,不能轻易归入上述三个类别之一。

基础饱和度百分比

基本饱和度百分比 (BS) 是碱性阳离子 Ca2+、Mg2+ 和 K+. 碱性阳离子与酸性阳离子 H+ 和 Al3+ 不同。 在近似土壤 pH 值 5.4 或更低时,Al3+ 以显着高的浓度存在,阻碍了大多数植物物种的生长,并且土壤 pH 值越低,有毒 Al 的量就越大 >3+。 因此,基础饱和度高的土壤通常更肥沃,因为:

  •  它们几乎没有或没有对植物生长有害的酸阳离子 Al3+
  •  碱饱和度高的土壤具有较高的 pH 值; 因此,它们更能缓冲植物根系和土壤酸化过程(硝化作用、酸雨等)产生的酸性阳离子。
  •  它们含有更大量的植物必需营养阳离子 K+、Ca2+ 和 Mg2+,供植物使用。

百分比基础饱和度表示如下:

%BS = [(Ca2+ + Mg2+ + K+)/CEC] × 100

根据土壤 pH 值,土壤的基础饱和度可能是 CEC 的一小部分或大约等于 CEC。 一般来说,如果土壤pH值低于7,则碱饱和度小于CEC。 在 pH 7 或更高时,土壤粘土矿物和有机质表面被碱性阳离子占据,因此,碱饱和度等于 CEC。 图2说明了不同土壤pH值下土壤表面保留的阳离子的相对量。

CEC和BS的意义

土壤的 CEC 会影响施肥和施石灰的做法。 例如,高 CEC 的土壤比低 CEC 的土壤保留更多的养分。 如果在 CEC 低的沙质土壤中一次性施用大量肥料,则更可能通过浸出发生养分流失。 相比之下,这些养分在粘土中不易流失。

作物生产将酸度释放到土壤中。 由于低 CEC 土壤上的作物生产,土壤 pH 值会下降得更多。 高 CEC 土壤通常缓冲良好,因此作物生产时 pH 值的变化要小得多。 因此,与粘土相比,CEC 含量低的沙质土壤需要更频繁地施石灰,但施用量要低。 由于在给定的 pH 值下酸性阳离子的丰度更高,因此需要更高的石灰用量才能在高 CEC 土壤上达到最佳 pH 值。

其他资源

Glossary of Soil Science Terms. https://www.soils.org/publications/soils-glossary/#

Soil Test Handbook for Georgia. Kissel, D.E. and L. Sonon (Eds). 2008. http://aesl.ces.uga.edu/publications/ soil/STHandbook.pdf

审稿人

内部审稿人

1. Dr. Clint Waltz, Department of Crop and Soil Sciences, University of Georgia ([email protected])

2. Edward Ayers, Public Service Assistant, UGA Extension Northeast District ([email protected])

外部审稿人

1. Dr. Frank Sikora, University of Kentucky ([email protected])

2. Dr. Robert Miller, Soil and Crop Sciences Department, Colorado State University ([email protected])