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 химии 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 между их положительным зарядом и 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)
Насыщенность оснований выражает процент потенциального ЕКО, занятого катионами Ca 2+ , Mg 2+ , K + или Na + . [1] [4] Их традиционно называют «основными катионами», поскольку они некислотные, хотя 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 , оксидов железа и алюминия часто несут положительные заряды. [1] В большинстве почв катионообменная способность намного превышает анионообменную, но в сильно выветренных почвах, [1] таких как ферралсолы ( оксисолы ), может происходить обратное.
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