Катионообменная емкость ( CEC ) 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 изменения химического состава почвы твердыми веществами в почве. CEC влияет на многие аспекты химического состава почвы и используется в качестве меры плодородия почвы , поскольку указывает на способность почвы сохранять некоторые питательные вещества (например, K + , NH 4 + , Ca 2+ ) в доступной для растений форме. Это также указывает на способность удерживать катионы загрязняющих веществ (например, Pb 2+ ).
Катионообменная емкость 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 ме/100 г или мэкв/100 г. ЕКО измеряется в молях электрического заряда, поэтому катионообменная емкость 10 смоль c /кг могла бы удерживать 10 смоль катионов Na + (с 1 единицей заряда на катион) на килограмм почвы, но только 5 смоль Ca 2+ (2 единицы заряда на катион). [1]
Катионообменная способность возникает из-за различных отрицательных зарядов на поверхности частиц почвы, особенно глинистых минералов и органического вещества почвы . Филосиликатные глины состоят из слоистых пластинок оксидов алюминия и кремния . Замена атомов алюминия или кремния другими элементами с меньшим зарядом (например, замена Al 3+ на Mg 2+ ) может придать структуре глины суммарный отрицательный заряд. [2] Этот заряд не требует депротонирования и поэтому не зависит от pH и называется постоянным зарядом. [1] Кроме того, края этих листов обнажают множество кислых гидроксильных групп, которые депротонируются, оставляя отрицательные заряды при уровне pH во многих почвах. Органические вещества также вносят очень значительный вклад в катионный обмен из-за большого количества заряженных функциональных групп . ЕКО обычно выше у 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 за счет электростатического взаимодействия их положительного заряда с отрицательным зарядом поверхности, но сохраняют оболочку из молекул воды и не образуют прямых химических связей с поверхностью. [4] Таким образом, обменные катионы образуют часть диффузного слоя над заряженной поверхностью. Связь относительно слабая, и катион легко вытесняется с поверхности другими катионами из окружающего раствора.
Количество отрицательного заряда от депротонирования гидроксигрупп 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.
Катионообменную емкость измеряют путем вытеснения всех связанных катионов концентрированным раствором другого катиона и последующего измерения либо вытесненных катионов, либо количества добавленного катиона, которое остается. [1] Барий (Ba 2+ ) и аммоний (NH 4 + ) часто используются в качестве катионообменников, хотя доступно множество других методов. [4] [5]
Измерения CEC зависят от pH и поэтому часто выполняются с использованием буферного раствора с определенным значением pH. Если этот pH отличается от естественного pH почвы, измерение не будет отражать истинную ЕКО при нормальных условиях. Такие измерения CEC называются «потенциальными CEC». Альтернативно, измерение pH естественной почвы называется «эффективным CEC», что более точно отражает реальное значение, но может затруднить прямое сравнение между почвами. [1] [5]
Катионообменная способность почвы определяется составляющими ее материалами, которые могут сильно различаться по индивидуальным значениям ЕКО. Таким образом, CEC зависит от исходного материала, из которого образовалась почва, и условий, в которых она развивалась. Эти факторы также важны для определения pH почвы, который оказывает большое влияние на CEC.
![Типичные диапазоны ЕКО почвенных материалов[1][6][7]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/CEC_values_plot.svg/1280px-CEC_values_plot.svg.png)
Base saturation expresses the percentage of potential CEC occupied by the cations Ca2+, Mg2+, K+ or Na+.[1][4] These are traditionally termed "base cations" because they are non-acidic, although they are not bases in the usual chemical sense.[1] Base saturation provides an index of soil weathering[4] and reflects the availability of exchangeable cationic nutrients to plants.[1]
Positive charges of soil minerals can retain anions by the same principle as cation exchange. The surfaces of kaolinite, allophane and iron and aluminium oxides often carry positive charges.[1] In most soils the cation-exchange capacity is much greater than the anion-exchange capacity, but the opposite can occur in highly weathered soils,[1] such as ferralsols (oxisols).
Рамос, ФТ; Дорес EFGC; Вебер ОЛС; Бебер, округ Колумбия; Кампело-младший Дж. Х.; Майя 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