土壤阳离子交换能力 (CEC) 传感器监测基础知识

土壤可以被认为是植物养分的仓库。许多营养物质，例如钙和镁，可以仅从土壤中的储备中提供给植物。其他如钾作为肥料定期添加到土壤中，目的是根据作物的需要提取。土壤储存一组特定养分（阳离子）的相对能力被称为阳离子交换能力或 CEC。
土壤由沙子、淤泥、粘土和有机物质的混合物组成。粘土和有机物质颗粒都带有净负电荷。因此，这些带负电的土壤颗粒会吸引并保持带正电的颗粒，就像磁铁的相反两极相互吸引一样。出于同样的原因，它们会排斥其他带负电的粒子，就像磁铁的两极相互排斥一样。
土壤中养分元素的形态
带电荷的元素称为离子。带正电的离子是阳离子；带负电的是阴离子。
最常见的土壤阳离子（包括它们的化学符号和电荷）是：钙 (Ca ++ )、镁 (Mg ++ )、钾 (K+)、铵 (NH 4 +)、氢 (H + ) 和钠 (Na + )。请注意，某些阳离子具有不止一个正电荷。
常见的土壤阴离子（及其符号和电荷）包括：氯 (Cl - )、硝酸盐 (NO 3 - )、硫酸盐 (SO 4 = ) 和磷酸盐 (PO 4 3- )。另请注意，阴离子可以具有多个负电荷，并且可以是元素与氧的组合。
定义阳离子交换容量
土壤中黏土和有机质颗粒上的阳离子可以被其他阳离子取代；因此，它们是可交换的。例如，钾可以被钙或氢等阳离子代替，反之亦然。
土壤可以保持的阳离子总数——或它的总负电荷——是土壤的阳离子交换能力。CEC 越高，负电荷越高，可容纳的阳离子越多。
CEC 以每 100 克土壤的毫当量 (meq/100g) 衡量。一个 meq 是总电荷量特定的离子数。例如，在钾 (K + )的情况下，一毫当量的 ​​K 离子约为 6 x 10 20正电荷。另一方面，对于钙，一毫当量的 ​​Ca ++也是 6 x 10 20 正电荷，但只有3 × 1020 个离子，因为每个 Ca 离子都有两个正电荷。
以下是常见的土壤养分阳离子和等于 1 meq/100g 的每英亩磅数：   钙 (Ca ++ ) - 400 磅/英亩
  镁 (Mg ++ ) - 240 磅/英亩
  钾 (K + ) 780 磅/英亩
  铵 (NH 4 + ) - 360 磅/英亩
测量阳离子交换容量
由于土壤的 CEC 来自存在的粘土和有机物质，因此可以通过土壤质地和颜色来估计。表 1 列出了一些基于颜色和质地的土壤组、每组中的代表性土壤系列以及这些土壤上常见的 CEC 值测量。
表 1. 常见颜色/质地土壤组的 CEC 值的正常范围。
 
                                        中电
  土壤组 示例 meg/100g
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浅色沙滩Plainfield 3-5
                          布卢姆菲尔德
 
深色沙子 Maumee 10-20
                          吉尔福德
 
浅色壤土和克莱蒙-迈阿密 10-20
 粉砂壤土迈阿密
 
深色壤土和 Sidell 15-25
 粉砂壤土 Gennesee
 
深色粉质粘土 Pewamo 30-40
 壤土和粉质粘土 Hoytville
 
有机土壤 Carlisle 淤泥 50-100
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阳离子交换能力通常在土壤测试实验室通过两种方法之一进行测量。直接的方法是用单一阳离子如铵 (NH 4 + ) 代替交换位点上的正常阳离子混合物，用另一种阳离子代替可交换的 NH 4 +，然后测量交换的 NH 4 +的量。（这是土壤的承载量）。
更常见。土壤测试实验室通过将土壤测试过程中测得的钙、镁和钾与从缓冲液 pH 值中获得的可交换氢的估计值相加来估计 CEC。通常，通过这种求和方法得出的 CEC 值会略低于通过直接测量获得的值。
缓冲容量和基础饱和度百分比
土壤交换位点上的阳离子作为土壤水中那些被植物根部去除或因浸出而流失的土壤水的再补给来源。CEC 越高，可提供的阳离子越多。这称为土壤的缓冲能力。
阳离子可分为酸性（形成酸）或碱性。常见的酸性阳离子是氢和铝；常见的碱性物质是钙、镁、钾和钠。CEC 上酸和碱的比例称为碱饱和度百分比，可按下式计算：
 
           交换站点上的碱基总数
 
 百分比 base =(即，meq Ca ++ meq Mg ++ + meq K + )
 饱和度 ------------------------------- x 100
                 阳离子交换容量
碱饱和度的概念很重要，因为交换位点上酸和碱的相对比例决定了土壤的 pH 值。随着Ca ++和Mg ++离子数量的减少以及H +和Al +++离子数量的增加，pH 值下降。添加石灰石用碱性钙和镁阳离子代替酸性氢和铝阳离子，这增加了碱饱和度并提高了pH值。
在中西部土壤的情况下，在交换位点发现的实际阳离子混合可能会有显着差异。然而，在大多数情况下，Ca ++和 Mg ++是主要的碱性阳离子，并且浓度高于 K +。通常，中西部土壤中的钠含量很少。
CEC与施肥实践的关系
对于阳离子交换能力差异很大的土壤，推荐的石灰和施肥方法会有所不同。例如，在正常管理下，具有高 CEC 和高缓冲能力的土壤比低 CEC 土壤更慢地改变 pH 值。因此，高 CEC 的土壤通常不需要像低 CEC 的土壤那样频繁地施石灰；但是当它们变酸并需要石灰时，需要更高的石灰用量才能达到最佳 pH 值。
CEC 还可以影响施氮肥和钾肥的时间和频率。例如，在低 CEC 土壤（小于 5 兆克/20000 克）上，可能会发生一些阳离子浸出。在这些土壤上秋季施用铵态氮和钾可能会导致根区以下的一些浸出，特别是在具有低 CEC 底土的沙质土壤的情况下。因此，春季施肥可能意味着提高生产效率。此外，不建议在低 CEC 土壤上使用多年钾肥。
另一方面，CEC 含量较高的土壤（大于 10 兆克/100 克）几乎没有阳离子浸出，因此秋季施用 N 和 K 成为现实的替代方案。在这些土壤上也可以有效地为两种作物施用钾肥。因此，排水等其他因素将对用于高 CEC 土壤的肥力管理实践产生更大的影响。
概括
土壤的阳离子交换能力决定了土壤可以容纳的带正电荷的阳离子的数量。反过来，这会对土壤的肥力管理产生重大影响。