阳离子交换与土壤胶体

土壤胶体是微小的带电黏土和有机颗粒，其表面吸引并可逆地吸附营养阳离子，这一过程称为阳离子交换，是土壤肥力的核心。

Definition

土壤胶体是具有大面积带电表面的黏土级矿物和有机颗粒；阳离子交换是带正电离子在这些表面上的可逆吸附和释放，以阳离子交换容量（CEC）衡量。

Scope

本主题涵盖黏土和有机胶体的性质和电荷、量化其养分保持能力的阳离子交换容量、可交换阳离子和盐基饱和度概念，以及阴离子交换。它解释了土壤如何储存和缓冲植物赖以生存的营养阳离子。

Core questions

• 什么赋予土壤胶体表面电荷？
• 什么是阳离子交换容量，什么控制着它？
• 什么是可交换阳离子和盐基饱和度？
• 阳离子交换如何缓冲土壤并供应养分？

Key concepts

• 黏土和有机胶体
• 永久电荷和pH依赖性电荷
• 阳离子交换容量（CEC）
• 可交换阳离子
• 盐基饱和度
• 阴离子交换容量

Key theories

胶体的表面电荷

黏土胶体通过同晶取代带有永久负电荷，并通过边缘和有机官能团带有pH依赖性电荷，因此总电荷以及养分保留能力取决于黏土类型、有机质和pH。

阳离子交换和盐基饱和度

可交换阳离子以动态平衡的方式静电吸附在胶体表面，与土壤溶液相互作用；碱性阳离子（盐基饱和度）与酸性阳离子所占的比例强烈影响肥力和pH缓冲能力。

Mechanisms

黏土胶体主要通过其晶格内的同晶取代产生负电荷，并辅以断裂边缘和有机官能团上的pH依赖性电荷。这种负电荷吸引大量阳离子，这些阳离子对植物仍然可用，同时受到保护免受淋失，当根系吸收离子时，它们与土壤溶液可逆地交换。总电荷量决定了阳离子交换容量，即土壤中营养阳离子的储库及其缓冲pH的能力。

Clinical relevance

阳离子交换容量决定了土壤保留钙、镁、钾和铵等养分以抵抗淋失的能力、缓冲pH变化的能力以及对施肥和施石灰的响应；它是土壤测试中的常规测量指标，也是养分管理的关键输入。

History

土壤中的阳离子交换在19世纪中叶由汤普森和韦的实验中得到确认，他们观察到土壤保留铵而释放其他阳离子。20世纪的胶体化学从带电黏土和有机表面的角度解释了这一现象，使CEC成为土壤肥力的基本概念。

Key figures

• Donald L. Sparks
• Nyle C. Brady
• Ray R. Weil

Seminal works

• sparks2003
• brady2016

Frequently asked questions

为什么黏土和富含有机质的土壤比沙质土壤更好地保持养分？

黏土和有机胶体具有大的带负电荷的表面，可以吸引和保持营养阳离子，使这些土壤具有较高的阳离子交换容量；沙质土壤很少有这样的表面，因此它们保持的养分很少，并且容易通过淋失而流失。

阳离子交换容量能告诉你关于土壤的什么信息？

它表明土壤可以储存和交换多少营养阳离子，因此表明它抵抗养分淋失和缓冲pH的能力；高CEC土壤能更长时间地保留肥料和石灰，而低CEC土壤需要更频繁、更少量的投入。