經驗案例

土壤離子元素傳感器陽離子交換容量CEC

陽離子交換容量 ( CEC ) 是衡量土壤保持帶正電離子的能力的指標。它是影響土壤結構穩定性、養分有效性、土壤 pH 值以及土壤對肥料和其他改良劑的反應的非常重要的土壤特性。

什么是可交換陽離子？
土壤的粘土礦物和有機物質成分在其表面具有帶負電的部位，通過靜電力吸附和保持帶正電的離子（陽離子）。這種電荷對于植物養分供應至關重要，因為許多養分以陽離子形式存在（例如鎂、鉀和鈣）。一般來說，帶有大量負電荷的土壤更肥沃，因為它們保留了更多的陽離子，然而，在低CEC 的土壤上可以種植高產作物和牧場。土壤中

與CEC相關的主要離子是可交換陽離子鈣 (Ca 2+ )、鎂 (Mg 2+ )、鈉 (Na + ) 和鉀 (K+ )，通常稱為堿陽離子。在大多數情況下，對分析的堿陽離子求和可提供足夠的CEC量度。然而，隨著土壤變得更酸，這些陽離子被 H +、Al 3+和 Mn 2+所取代，而常用方法將產生比田間發生的CEC值高得多的CEC值）。在對堿陽離子求和時需要包括這種“交換酸度”，這種測量被稱為有效CEC ( ECEC )。

測量CEC
不同的實驗室使用不同的方法來測量CEC，并且可以根據測量的土壤比例返回對比結果。在澳大利亞，一些實驗室直接測量CEC，而另一些實驗室將其計算為CEC。陽離子交換能力通常在細土部分（尺寸小于 2 毫米的土壤顆粒）上測量。在礫質土壤中，整個土壤的有效CEC被稀釋，如果只分析細粒（粘土）部分，報告的CEC值將高于實際現場值。

測量CEC包括清洗土壤以去除多余的鹽分，并使用“指數離子”來確定相對于原始土壤質量的總正電荷。這包括在分析前將土壤調至預定的 pH 值。Rengasamy 和 Churchman (1999) 介紹了包括預處理在內的用于測量CEC和可交換陽離子的方法，并由 Rayment 和 Higginson (1992) 詳細描述。
單位

CEC通常以 meq/100 g (Rengasamy 和 Churchman 1999) 表示，這在數字上等于每千克交換劑的電荷厘摩爾 (cmol(+)/kg)。
管理意義

土壤類型和CEC
土壤的CEC因粘土百分比、粘土類型、土壤 pH 值和有機質含量而異。純沙子的CEC非常低，小于 2 meq/100 g，并且大多數土壤的沙子和淤泥粒度部分 (2 µ m/2 mm)的CEC可以忽略不計。根據添加的粘土的類型和數量，用于控制防水性的粘土砂質土壤會少量增加表層的CEC。通常CEC增加不到 1 meq/100 g。西澳大利亞土壤中最常見的粘土高嶺石具有CEC

約 10 毫克當量/100 克。其他粘土（例如伊利石和蒙脫石）的 CEC 范圍為 25 至 100 meq/100 g。有機物質的CEC非常高，范圍從 250 到 400 meq/100 g（Moore 1998）。由于較高的CEC通常表明土壤中存在更多的粘土和有機質，因此高CEC 的土壤通常比低CEC 的土壤具有更大的持水能力。

土壤 pH 值和CEC
以具有可變表面電荷的粘土為主的土壤通常是強烈風化的。這些土壤的肥力隨著酸化氮肥、硝酸鹽浸出以及清理和農業實踐而導致的 pH 值降低而降低（McKenzie等人， 2004 年）。土壤 pH 值變化也可能由自然過程引起，例如有機物分解和陽離子浸出。土壤的CEC越低，土壤 pH 值隨時間下降的速度就越快。將石灰土壤（參見土壤酸度情況說明書）提高至高于 pH 5 (CaCl 2 ) 將保持可交換的植物養分陽離子。

養分可用性和CEC
低CEC 的土壤更容易缺乏鉀 (K + )、鎂 (Mg 2 +) 和其他陽離子，而高CEC 的土壤不太容易受到這些陽離子的浸出（CUCE 2007）。有幾個因素可能會限制營養物質向植物的釋放。一些團體提倡管理陽離子比率的有爭議的想法，聲稱 Ca:Mg 或 Ca:K 的理想比率。對于植物營養，更關鍵的因素是土壤中鈣或鉀的凈含量是否足以滿足植物生長的需要。添加有機質會增加土壤的CEC，但需要很多年才能生效。

說明了CEC如何可以隨深度變化。基礎陽離子的總和提供了每個土壤層的CEC估計值。由于有機物含量高，10 cm 表面的CEC為 4.6 meq/100 g。在 10 – 30 cm 深度，沙子的有機物含量非常低，因此CEC低。底土層的CEC由粘土含量控制，分別為 61%、51% 和 34%。這種土壤中的主要粘土是高嶺石，因此CEC值仍然很低。