Емкость катионного обмена ( ЕКО ) является мерой того, сколько катионов может удерживаться на поверхности частиц почвы. [1] Отрицательные заряды на поверхности частиц почвы связывают положительно заряженные атомы или молекулы (катионы), но позволяют им обмениваться с другими положительно заряженными частицами в окружающей почвенной воде. [2] Это один из способов, которым твердые материалы в почве изменяют химию почвы. ЕКО влияет на многие аспекты химии почвы и используется в качестве меры плодородия почвы , поскольку она указывает на способность почвы удерживать несколько питательных веществ (например, K + , NH 4 + , Ca 2+ ) в доступной для растений форме. Она также указывает на способность удерживать катионы загрязняющих веществ (например, Pb 2+ ).
Емкость катионного обмена определяется как количество положительного заряда, которое может быть обменено на массу почвы, обычно измеряется в смоль с /кг. В некоторых текстах используются более старые эквивалентные единицы мЭ/100 г или мэкв/100 г. ЕКО измеряется в молях электрического заряда, поэтому емкость катионного обмена 10 смоль с /кг может удерживать 10 смоль катионов Na + (с 1 единицей заряда на катион) на килограмм почвы, но только 5 смоль Ca2 + (2 единицы заряда на катион). [1]
Катионообменная способность возникает из-за различных отрицательных зарядов на поверхностях частиц почвы, особенно глинистых минералов и органического вещества почвы . Филлосиликатные глины состоят из слоистых листов оксидов алюминия и кремния . Замена атомов алюминия или кремния другими элементами с более низким зарядом (например, замена Al 3+ на Mg 2+ ) может придать глинистой структуре чистый отрицательный заряд. [2] Этот заряд не включает депротонирование и, следовательно, не зависит от pH и называется постоянным зарядом. [1] Кроме того, края этих листов обнажают множество кислотных гидроксильных групп, которые депротонируются, оставляя отрицательные заряды на уровнях pH во многих почвах. Органическое вещество также вносит очень значительный вклад в катионообмен из-за большого количества заряженных функциональных групп . ЕКО обычно выше вблизи поверхности почвы, где содержание органического вещества самое высокое, и снижается с глубиной. [3] ЕКО органического вещества сильно зависит от pH. [1]
Катионы адсорбируются на поверхности почвы посредством электростатического взаимодействия между их положительным зарядом и отрицательным зарядом поверхности, но они сохраняют оболочку из молекул воды и не образуют прямых химических связей с поверхностью. [4] Таким образом, заменяемые катионы образуют часть диффузного слоя над заряженной поверхностью. Связь относительно слабая, и катион может быть легко вытеснен с поверхности другими катионами из окружающего раствора.
Количество отрицательного заряда от депротонирования гидроксильных групп глины или органического вещества зависит от pH окружающего раствора. Увеличение pH (т.е. уменьшение концентрации катионов H + ) увеличивает этот переменный заряд и, следовательно, также увеличивает катионообменную емкость.
Катионообменная емкость измеряется путем вытеснения всех связанных катионов концентрированным раствором другого катиона, а затем измерения либо вытесненных катионов, либо количества добавленного катиона, который удерживается. [1] Барий (Ba 2+ ) и аммоний (NH 4 + ) часто используются в качестве катионообменников, хотя доступно много других методов. [4] [5]
Измерения CEC зависят от pH, и поэтому часто производятся с буферным раствором при определенном значении pH. Если этот pH отличается от естественного pH почвы, измерение не будет отражать истинный CEC при нормальных условиях. Такие измерения CEC называются «потенциальным CEC». Альтернативно, измерение при естественном pH почвы называется «эффективным CEC», что более точно отражает реальное значение, но может затруднить прямое сравнение между почвами. [1] [5]
Емкость катионного обмена почвы определяется ее составляющими материалами, которые могут значительно различаться по своим индивидуальным значениям CEC. Таким образом, CEC зависит от исходных материалов, из которых образовалась почва, и условий, в которых она образовалась. Эти факторы также важны для определения pH почвы, который оказывает большое влияние на CEC.
![Типичные диапазоны CEC почвенных материалов[1][6][7]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/CEC_values_plot.svg/1280px-CEC_values_plot.svg.png)
Насыщенность основаниями выражает процент потенциальной ЕКО, занятой катионами Ca 2+ , Mg 2+ , K + или Na + . [1] [4] Их традиционно называют «основными катионами», поскольку они некислотные, хотя они и не являются основаниями в обычном химическом смысле. [1] Насыщенность основаниями является показателем выветривания почвы [4] и отражает доступность обменных катионных питательных веществ для растений. [1]
Положительные заряды почвенных минералов могут удерживать анионы по тому же принципу, что и катионный обмен. Поверхности каолинита, аллофана и оксидов железа и алюминия часто несут положительные заряды. [1] В большинстве почв катионообменная способность намного больше анионообменной, но противоположное может происходить в сильно выветренных почвах, [1] таких как ферральсоли ( оксисоли ).
Ramos, FT; Dores EFGC; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr JH; Maia JCS (2018) «Органическое вещество почвы удваивает емкость катионного обмена тропической почвы при нулевой обработке почвы в Бразилии». J Sci Food Agric. 10.1002/jsfa.8881