經驗案例

土壤離子感測器陽離子交換容量 (CEC)

粘土顆粒和有機物的表面帶負電，因此能夠儲存和供應帶正電的植物養分（即陽離子）。土壤礦物顆粒和/或有機物質從土壤溶液中吸收和去除陽離子的過程稱為陽離子交換。
土壤的陽離子交換容量 (CEC) 定義為其在特定 pH 值下可吸附的可交換陽離子的總和。可逆化學反應中可交換陽離子的陽離子交換在土壤肥力和營養研究方面是重要的品質。

土壤中最重要的可交換陽離子是
鈣（Ca 2+），
鎂（Mg 2+），
鈉 (Na + ),
鉀 (K + ),
氫氣 (H + )，和
鋁（Al 3+）。
潮濕地區土壤中四種最豐富的可交換陽離子是：氫、鈣、鎂和鉀。其中，除氫外，均被植物大量吸收。位于較不潮濕地區（即干旱和半干旱地區）的土壤通常含有很少或不含可交換氫，并且通常含有大量可交換鈉。在澳大利亞東南部的灌溉棉花種植區發現的許多土壤剖面就是這種情況。
土壤的有效 CEC 由土壤中存在的五種最豐富的陽離子之和計算。這包括鈣、鎂、鉀、鈉和鋁的陽離子。在堿性條件下，這些可交換陽離子的總和大約等于 CEC。
CEC 以每百克土壤吸附的陽離子毫當量 (me/100g) 或每千克電荷的厘摩爾數 (cmol(+)/kg) 表示。前一個單位用于較舊的出版物。但是，應該記住，以 me/100 g 或 cmol(+)/kg 表示的值是等效的。
就土壤粒徑分數而言，沙子幾乎沒有 CEC，而淤泥具有較小的 CEC。考慮到在該粒度級分中發現的多種礦物（即次生硅酸鹽礦物和其他次生礦物），粘土粒度的顆粒具有寬范圍的 CEC 值。因此，對于各種土壤質地類別，只能建議一般的 CEC 水平。

土壤	質地	金沙	細砂壤土	壤土和淤泥壤土	粘土	粘土
cmol(+)/kg	中電	1-5	5-10	5-15	15-30	>30

土壤保持鈣、鎂、鉀和鈉（以及酸性土壤中的氫、鋁，有時還有錳）主要陽離子的能力被廣泛用于農業評估。這是因為它是衡量土壤總體肥力的指標。
如果土壤具有很大的陽離子交換能力，而這可以通過鈣、鎂、鉀和鈉等陽離子來滿足，則需要大量的氫來顯著改變 pH 值，從而改變化學和物理性質。在這種情況下，土壤被認為是高度緩沖的。同樣，主要以氫為主的土壤膠體需要大量的鈣、鎂和其他堿陽離子來改變其特性。
土壤風化的相對程度也可以從 CEC 推斷出來。這是因為土壤溶液中可交換陽離子的主要來源是礦物風化（即原生礦物）。低 CEC 值表明原生礦物在風化過程中消失，而低 CEC 的次生粘土礦物積累。高嶺石、三水鋁石和鐵的游離氧化物（例如赤鐵礦）是高度風化土壤剖面中的主要粘土礦物。
相反，較高的 CEC 值與風化程度較低的土壤有關，主要礦物風化會在幾年內緩慢釋放養分。在這種情況下，它們充當植物營養儲備。伊利石和蒙脫石等粘土礦物是風化緩慢的干旱和半干旱地區土壤的特征。
因此，可以從 CEC 中推斷出土壤中存在的粘土礦物。通常已經發現，粘土礦物表現出通過醋酸銨法測量的一系列 CEC 值（cmol(+)/kg）。

黏土	礦物	三水鋁礦針鐵礦	高嶺石	伊利石和綠泥石	蒙脫石	蛭石
cmol(+)/kg	中電	0-4	3-15	10-40	80-150	100-150

土壤中可交換的鈣、鎂、鉀和鈉的總和，也提供了土壤收縮膨脹潛力（恢復力）的粗略指標。彈性土壤是在破壞力（例如重型機械車輪下的土壤壓實）被去除后，能夠通過自然過程形成理想結構的土壤。
能夠通過干燥時收縮和潮濕時膨脹的過程自然促進收縮裂縫發展的土壤將有助于在土壤中形成穩定的垂直裂縫，這將促進根系生長以及有機物質和水向底土的吸收。此外，螞蟻和蚯蚓等土壤動物群的活動將得到維持。
隨著 CEC 的增加，土壤通常會變得更具結構彈性。因此，可以從 CEC 中辨別與 CEC 值和適當管理相關的土壤恢復力的關鍵限值。低 CEC 值表明收縮膨脹潛力差，而高 CEC 值表明潛力良好。
一般而言，CEC 值小于 20 cmol(+)/kg 表明土壤的收縮膨脹潛力較差。但是，如果特定土壤剖面的底土比表土更具彈性，則可以考慮使用犁板犁反轉剖面。
CEC 值在 20 到 40 cmol(+)/kg 之間表明土壤具有中等收縮膨脹潛力。然而，一般而言，自然收縮膨脹循環會使壓實的土壤松散，為了加速這一過程，需要某種形式的耕作。還應考慮使用可增強生物孔形成的輪作作物（即須根）。
大于 40 cmol(+)/kg 的 CEC 值具有良好的收縮膨脹潛力，自然收縮膨脹循環能夠松動壓實的土壤層。該范圍內的 CEC 值表明存在天然溶脹粘土，例如蒙脫石。