單個粘土顆粒或有機膠體的表面帶負電 (-)。因此，它們的表面會吸引和吸附稱為陽離子的帶正電離子。當向土壤中加入水時，陽離子可以移動到溶液中，但是，它們仍然會被粘土顆粒或有機膠體表面吸引，因此會聚集在它們周圍。
吸附和解吸的機制很重要，即使任何時候都只有不到 1% 的陽離子會這樣做。這是因為分離的陽離子可用于植物。相反，當它們被土壤顆粒吸附時，這些植物可用養分的浸出會減少。
能夠很容易地從土壤溶液中取代到帶負電的土壤顆粒表面上的帶正電的離子，反之亦然，稱為可交換陽離子。最重要的可交換陽離子是：
為了被植物利用，吸附在粘土顆粒上的陽離子必須被土壤溶液中存在的陽離子取代。植物根部通過將氫離子 (H + )排泄到土壤溶液中以將其交換為陽離子（例如鉀 - K +）來促進這一過程。     如果不更換陽離子（例如 K +），植物釋放的氫 (H + ) 離子的累積效應會導致土壤酸化。通過這種方式，將 H +離子引入土壤溶液也增加了原生粘土礦物（例如長石）和次生粘土礦物（例如高嶺土）的風化速率。
取代過程稱為陽離子交換，僅當土壤溶液中的陽離子移動到位于帶負電粒子表面的陽離子運動的半球時才會發生。對于鉀離子 (K + )，這如圖所示，鉀離子 (K + ) 從粘土顆粒的表面被從土壤溶液中移動的氫離子 (H + )交換。

    因此，陽離子交換被定義為任何帶負電粒子（即粘土礦物或有機膠體）表面上的陽離子與土壤溶液之間的交換。雖然陽離子本身仍被粘土顆粒吸引，但隨著與帶負電表面的距離增加，對陽離子的吸引力迅速減弱。
這種吸引陽離子和帶負電粒子的現象被稱為“擴散雙層”。從字面上看，它是一個“雙層”，因為有兩層電荷（即負電荷和正電荷）和“擴散”，因為外層陽離子沒有明確定義。帶負電粒子和陽離子之間的吸引力隨著距離的增加而迅速減小。
除了陽離子的植物營養方面，吸附的陽離子也會影響粘土的行為。這是因為單個陽離子的結合力是各種因素的函數，包括；
陽離子電荷（即價態）、
水合陽離子的大小（即離子半徑）、
電荷濃度和
粘土顆粒表面外雙層的厚度。
在第一種情況下，陽離子對交換表面的吸引力越強，吸附的機會就越大。這被稱為吸附能。陽離子的吸附能是化合價（即電荷）的函數。這就是為什么三價（+3 電荷）陽離子如鋁和二價（即+2 電荷）陽離子如鈣和鎂分別具有吸附能，幾乎是單價（即+1 電荷）陽離子的三倍和兩倍) 陽離子，如鉀或鈉。結果，鋁、鈣或鎂的可交換陽離子靠近粘土顆粒并且不會干擾聚集顆粒之間的內聚力。事實上，這些陽離子啟動了土壤中的顆粒聚集過程。
因此，可交換陽離子的化合價決定了雙層厚度。因此，主要可交換陽離子的價數越高，雙層越薄。然而，即使當陽離子具有相同的電荷或價態時，雙層厚度的差異仍然可能發生。
當陽離子的化合價相等（即都帶 +1 電荷）時，水合半徑最小的陽離子被更強烈地吸附。在鉀和鈉的一價陽離子的情況下，鉀離子被更強烈地吸附，因為它的水合半徑更小，因此更強烈地吸附到負電荷的位置。相比之下，鈉離子是如此松散地保持并準備好水合，以至于富含鈉的土壤會分散。

半徑	單元	鈉+	K +	鎂2+	鈣2+	鋁3+
非水合	納米	0.095	0.133	0.066	0.099	0.050
水合	納米	0.360	0.330	0.430	0.410	0.480

這與鈣和鎂的二價陽離子的情況類似。因為水合鎂離子比鈣離子大，所以鎂離子在土壤中的保持力更弱，在某些情況下（即鈣含量低時）表現得像鈉一樣。
陽離子的電荷和水合陽離子的大小基本上決定了陽離子交換平衡的偏好。總之，帶高電荷的陽離子往往比帶較少電荷的陽離子更緊密，其次，水合半徑小的陽離子結合得更緊密，不太可能從交換復合物中去除。這兩個標準的綜合影響可以概括為溶菌系列。

鋁 > 鈣 > 鎂 > 鉀，銨-NH 4+ > 鈉 > 氫
它從左到右表示各種陽離子的吸附強度降低。因此，不太緊密地保持的陽離子位于離膠體表面最遠的位置，并且最有可能被浸出或最快速地進一步向下延伸。相反，最強烈吸附的陽離子將傾向于最慢地向下移動通過輪廓。
吸附在土壤礦物顆粒和有機膠體上的陽離子的比例和種類也是土壤溶液中陽離子濃度的函數。如果土壤溶液中的陽離子濃度高，則該陽離子被吸附的機會或趨勢會增加。
這就是添加溶解石膏 (CaSO 4 ) 以改善鈉質土壤的原因。在這種情況下，溶解石膏的添加會增加土壤溶液中鈣的濃度，這會導致交換復合物中鈣離子的增加，但會損失可交換的鈉。
土壤溶液中陽離子的主要來源是礦物風化（即原生礦物）、有機質礦化和添加土壤改良劑（即石灰、石膏等）。