陽離子交換量有效態

『壹』 土壤陽離子交換量是什麼

土壤陽離子交換量即CEC 是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，其數值以每回千克土壤中含有各種陽離子的答物質的量來表示。其數值代表土壤的保肥能力。陽離子交換量越大，說明土壤的保肥能力越強。陽離子交換量的值可以指導我們在實際施肥中選擇合適的施肥量及施肥次數。
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『貳』 陽離子交換量的介紹

土壤陽離子交換量的測定受多種因素的影響，如交換劑的性質、鹽溶液濃度和pH、淋洗方法等，必須嚴格掌握操作技術才能獲得可靠的結果。 聯合國糧農組織規定用於土壤分類的土壤分析中使用經典的中性乙酸銨法或乙酸鈉法。中性乙酸銨法也是我國土壤和農化實驗室所採用的常規分析方法，適於酸性和中性土壤。最近的土壤化學研究表明，對於熱帶和亞熱帶的酸性、微酸性土壤，常規方法由於浸提液pH值太低和離子強度太高，與實際情況相差較大，所得結果較實際情況偏高很多。新方法是將土壤用BaCl2 飽和，然後用相當於土壤溶液中離子強度那樣濃度的BaCl2溶液平衡土壤，繼而用MgSO4交換Ba測定酸性土壤陽離子交換量。 石灰性土壤陽離子交換量的測定方法有NH4Cl–NH4OAc法、Ca(OAc)2法和NaOAc法。目前應用的較多、而且認為較好的是NH4Cl–NH4OAc法，其測定結果准確、穩定、重現性好。NaOAc法是目前國內廣泛應用於石灰性土壤和鹽鹼土壤交換量測定的常規方法。 隨著土壤分析化學的發展，現在已有了測定土壤有效陽離子交換量的方法。如美國農業部規定用求和法測定陽離子交換量；對於可變電荷為主的熱帶和亞熱帶地區高度風化的土壤，國際熱帶農業研究所建議測定用求和法土壤有效陽離子交換量（ECEC）；最近國際上又提出測定土壤有效陽離子交換量（ECEC或Q+，E）和潛在陽離子交換量（PCEC或Q+，P）的國際標准方法，如ISO 11260：1994（E）和ISO 13536：1995（P），這兩種國際標准方法適合於各種土壤類型。

『叄』 陽離子交換量名詞解釋

在一定的pH值條件下（一般pH為7），每千克干土所吸收的全部交換性陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)總量。

常用單位：每千克厘摩爾數cmol(+)/kg土

國際單位：mmol/kg土

(3)陽離子交換量有效態擴展閱讀：

土壤陽離子交換量(CEC)的大小，基本上代表了土壤可能保持的養分數量，即保肥性的高低。陽離子交換量的大小，可作為評價土壤保肥能力的指標。陽離子交換量是土壤緩沖性能的主要來源，是改良土壤和合理施肥的重要依據。

b、土壤質地越細，其陽離子交換量越高。

c、對於實際的土壤而言，土壤黏土礦物的SiO2/R2O3比率越高，其交換量就越大。

d、土壤溶液pH值，因為土壤膠體微粒表面的羥基（OH）的解離受介質pH值的影響，當介質pH值降低時，土壤膠體微粒表面所負電荷也減少，其陽離子交換量也降低；反之就增大。

『肆』 影響交換性陽離子有效度的因素有哪些

土壤的鹽鹼性與降水的關系十分密切，但並不是所有地區土壤的鹽鹼性都是受降水量來決定。土壤之所以有酸鹼性，是因為在土壤中存在少量的氫離子和氫氧離子。當氫離子的濃度大於氫氧離子的濃度時，土壤呈酸性；反之呈鹼性；兩者相等時則為中性。影響土壤鹽鹼度的因素除了降水之外，現在我們更多考慮的是由於人類不合理的生產方式造成了乾旱、半乾旱地區的土壤次生鹽鹼化。土壤性質
（一）土壤吸附性
土壤中兩個最活躍的組分是土壤膠體和土壤微生物，它們對污染物在土壤中的遷移、轉化有重要作用。土壤膠體以其巨大的比表面積和帶電性，而使土壤具有吸附性。
1、土壤膠體的性質
1）土壤膠體具有巨大的比表面和表面能：比表面是單位重量（或體積）物質的表面積。定體積的物質被分割時，隨著顆粒數的增多，比表面也顯著地增大。物質的比表面越大，表面能也就越大。
2）土壤膠體的電性：土壤膠體微粒具有雙電層，微粒的內部稱微粒核，一般帶負電荷，形成一個負離子（即決定電位離子層）其外部由於電性吸引，而形成一個正離子（又稱反離子層，包括非活動性離子層和擴散層），即合稱為雙電層。
3）土壤膠體的凝聚性和分散性：由於膠體的比表面和表面能都很大，為了減小表面能膠體具有相互吸引，凝聚的趨勢，這就是膠體的凝聚性。但是在土壤溶液中，膠體常帶負電荷，即具有負的電動電位，所以膠體微粒又因相同而相互排斥，電動電位越高，相互排斥力越強，膠體微粒呈現出的分散性也越強。
影響土壤凝聚性能的主要因素是土壤膠體的電動電位和擴散層厚度，例如土壤溶液中陽離子增多，由於土壤膠體表面負電荷被中和，從而較強土壤的凝聚。此外，土壤溶液中電解質濃度、pH值也將影響其凝聚性能。
2、土壤膠體的離子交換吸附
在土壤膠體雙電層擴散層中，補償離子可以和溶液中相同電荷的離子價為依據作等價交換，稱為離子交換（或代換）。離子交換作用包括陽離子吸附作用和陰離子交換吸附作用。
每千克干土中所含全部陽離子總量，稱為陽離子交換量。土壤的可交換性陽離子有兩類：一類是致酸離子，包括H+和Al3+；另一類是鹽基離子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。當土壤膠體上吸附的陽離子均為鹽基離子，且已達到吸附飽和時的土壤，稱為鹽基飽和土壤，否則，這種土壤為鹽基不飽和土壤。在土壤交換性陽離子中鹽基離子所佔的百分數稱為土壤鹽基飽和度。它與土壤母質、氣候等因素有關。
3、土壤酸鹼性
由於土壤是一個復雜的體系，其中存在著各種化學和生物化學反應，因而使土壤表現出不同的酸鹼性。
我國土壤的pH大多在4.5～8.5范圍內，並有由南向北pH值遞增的規律性，長江（北緯330）以南的土壤多為酸性和強酸性，如華南、西南地區廣泛分布的紅壤、黃壤；pH值大多數在4.5～5.5之間，有少數低至3.6～3.8；華中華東地區的紅壤，pH值在5.5～6.5之間；長江以北的土壤多為中性或鹼性，如華北、西北的土壤大多含CaCO3，pH值在7.5～8.5之間，少數強鹼性的pH值高達10.5。
1）土壤酸度
根據土壤中H+離子的存在方式，土壤酸度可分為兩大類：
（1）活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中氫離子濃度的直接反映，又稱有效酸度，通常用pH表示。
土壤溶液中氫離子的來源，主要是土壤中CO2溶於水形成的碳酸和有機物質分解產生的有機酸，以及土壤中礦物質氧化產生的無機酸，還有施用肥料中殘留的無機酸，如硝酸、硫酸和磷酸等。此外，由於大氣污染形成的大氣酸沉降，也會使土壤酸化，所以它也是土壤活性酸度的一個重要來源。
（2）潛性酸度：土壤潛性酸度的來源是土壤膠體吸附的可代換性H+和Al3+。當這些離子處於吸附狀態時，是不顯酸性的，但當它們通過離子交換作用進入土壤溶液之後，可增加土壤的H+濃度，使土壤pH值降低。只有鹽基不飽和土壤才有潛性酸度，其大小與土壤代換量和鹽基飽和度有關。
根據測定土壤潛性酸度所用的提取液，可以把潛性酸度分為代換性酸度和水解酸度。
用過量中性鹽（如NaCl或KCl）溶液淋洗土壤，溶液中金屬離子與土壤中H+和Al3+發生離子交換作用，而表現出的酸度，稱為代換性酸度。由土壤礦物質膠體釋放出的氫離子是很少的，只有土壤腐殖質中的腐殖酸才可產生較多的氫離子。
近代研究已經確認，代換性Al3+是礦物質土壤中潛性酸度的主要來源。例如，紅壤的潛性酸度95％以上是由代換性Al3+產生的。
用弱酸強鹼鹽（如醋酸鈉）淋洗土壤，溶液中金屬離子可以將土壤膠體吸附的H+、Al3+代換出來，同時生成某弱酸（醋酸）。此時，測定出的該弱酸的酸度稱為水解性酸度。
水解性酸度一般比代換性酸度高。由於中性鹽所測出的代換性酸度只是水解性酸度的一部分，當土壤溶液在鹼性增大時，土壤膠體上吸附的H+較多被代換出來，所以水解酸度較大。但在紅壤和灰化土中，由於膠體中氫氧根離子中和醋酸，且對醋酸分子有吸附作用，因此，水解性酸度接近於或低於代換性酸度。
（3）活性酸度與潛性酸度的關系：土壤的活性酸度與潛性酸度是同一個平衡體系的兩種酸度。二者可以相互轉化，在一定條件下處於暫時平衡狀態。土壤活性酸度是土壤酸度的根本起點和現實表現。土壤膠體是H+和Al3+的儲存庫，潛性酸度則是活性酸度的儲備。土壤的潛性酸度往往比活性酸度大得多，相差達幾個數量級。
2）土壤鹼度
土壤溶液中OH -離子的主要來源是碳酸根和碳酸氫根的鹼金屬（Ca、Mg）的鹽類。碳酸鹽鹼度和重碳酸鹽度的總稱為總鹼度。不同溶解度的碳酸鹽和重碳酸鹽對土壤鹼性的貢獻不同，CaCO3和MgCO3的溶解度很小，故富含CaCO3和MgCO3的石灰性土壤呈弱鹼性（pH在7.5～8.5）；Na2CO3、NaHCO3及Ca（HCO3）2 等都是水溶性鹽類，可以出現在土壤溶液中，使土壤溶液中的鹼度很高，從土壤pH來看，含Na2CO3的土壤，其pH值一般較高，可達10以上，而含NaHCO3及Ca(HCO3)2的土壤，其pH值常在7.5～8.5，鹼性較弱。
當土壤膠體上吸附的Na+、K+、Mg2+（主要是Na+）等離子的飽和度增加到一定程度時會引起交換性陽離子的水解作用。結果在土壤溶液中產生NaOH,使土壤呈鹼性。此時Na+離子飽和度亦稱土壤鹼化度。膠體上吸附的鹽基離子不同，對土壤pH值或土壤鹼度的影響也不同。
3）土壤的緩沖性能
土壤緩沖性能是指具有緩和酸鹼度發生劇烈變化的能力，它可以保持土壤反應的相對穩定，為植物生長和土壤生物的活動創造比較穩定的生活環境，所以土壤的緩沖性能是土壤的重要性質之一。
（1）土壤溶液的緩沖作用：土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其它有機酸等弱酸及其鹽類，構成一個良好的緩沖體系，對酸鹼具有緩沖作用。
（2）土壤膠體的緩沖作用：土壤膠體吸附有各種陽離子，其中鹽基離子和氫離子能分別對酸和鹼起緩沖作用。
土壤膠體的數量和鹽基代換量越大，土壤的緩沖性能就越強。因此，砂土摻粘土及施用各種有機肥料，都是提高土壤緩沖性能的有效措施。在代換量相等的條件下，鹽基飽和度愈高，土壤對酸的緩沖能力愈大；反之，鹽基飽和度愈低，土壤對鹼的緩沖能力愈大。
另外，鋁離子對鹼的也能起到緩沖作用。
（二）土壤氧化還原性
土壤中有許多有機和無機的氧化性和還原性物質，因而使土壤具有氧化還原特性。一般，土壤中主要的氧化劑有：氧氣、NO3-和高價金屬離子，如鐵（Ⅲ）、錳（Ⅳ）、釩（Ⅴ）、鈦（Ⅵ）等。主要的還原劑有：有機質和低價金屬離子。此外，土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤發生氧化還原反應的重要參與者。
土壤氧化還原能力的大小可以用土壤的氧化還原電位來衡量。一般旱地土壤好氧化還原電位為+400～+700mV；水田的氧化還原電位在+300～-200 mV。根據土壤的氧化還原電位值可以確定土壤中有機物和無機物可能發生的氧化還原反應和環境行為。

『伍』 陽離子交換

1.陽離子交換

按質量作用定律，陽離子交換反應可以表示為

水文地球化學基礎

式中：K_A—B為陽離子交換平衡常數；A和B為水中的離子；AX和BX為吸附在固體顆粒表面的離子；方括弧指活度。

在海水入侵過程中，准確模擬陽離子交換作用是預測陽離子在含水層中運移的前提條件。按照質量作用定律可以用一個平衡常數把離子交換作為一種反應來描述。例如Na⁺、Ca²⁺的交換：

水文地球化學基礎

平衡常數為：

水文地球化學基礎

式（3—115）表明，交換反應是等當量的，是個可逆過程；兩個Na⁺交換一個Ca²⁺。如果水中的Na⁺與吸附在固體顆粒表面的Ca²⁺（即CaX）交換，則反應向右進行；反之，則向左進行。如果反應向右進行，Ca²⁺是解吸過程，而Na⁺是吸附過程。所以，陽離子交換實際上是一個吸附—解吸過程。Na⁺、Ca²⁺的交換是一種最廣泛的陽離子交換。當海水入侵淡水含水層時，由於海水中Na⁺遠高於淡水，而且淡水含水層顆粒表面可交換的陽離子主要是Ca²⁺，因此產生Na⁺、Ca²⁺之間的離子交換，Na⁺被吸附而Ca²⁺被解吸，方程（3—115）向右進行；當淡水滲入海相地層時，則Na⁺被解吸而Ca²⁺被吸附，反應向左進行。

2.質量作用方程

描述離子交換反應的方程式有多種，通常主要是通過對實驗數據的最佳擬合來決定選擇哪一種方程式，眾多的研究者很難達成一致（Gaines et al.，1953；Vanselow，1932；Gapon，1933；Appelo et al.，1993；Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000），因為目前並沒有一個統一的理論來計算吸附劑上的離子活度，而前面提到的迪拜—休克爾方程、戴維斯方程都是適用於水溶液中的離子活度計算。

交換性陽離子活度有時用摩爾分數來計算，但更為常用的是當量分數作為交換位的數量分數或者作為交換性陽離子的數量分數。在一種理想的標准狀態下，交換劑只被一種離子完全占據，交換離子的活度等於1。對於等價交換使用哪一種方程式沒有區別，但是對於非等價交換影響十分顯著（Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000）。所有的模型都有相同的函數形式：

水文地球化學基礎

即為交換位濃度（單位質量吸附劑的摩爾數）與無單位函數

（

，

）和

（

，

）的乘積。這些函數依賴於溶液中陽離子的活度。

海水入侵過程中的交換反應主要為Na⁺與Ca²⁺之間的交換，通常寫作：

水文地球化學基礎

X為—1價的表面交換位，交換位X的總濃度為

水文地球化學基礎

式中：S指每單位質量固體的總交換位濃度，mol/g。這種情況下S的量等於陽離子交換容量（只要單位換算統一即可）。

水文地球化學基礎

式（3—120）的書寫方式符合Gaines—Thomas方程式，Gaines（蓋恩斯）和Thomas（托馬斯）（1995）最先給出交換性陽離子熱動力學標准態的嚴格定義。它使用交換性陽離子的當量分數作為吸附離子的活度。若式（3—120）使用摩爾分數，則遵守Vanselow（1932）公式。

如果假定吸附陽離子的活度和被離子占據的交換位的數目成正比，反應式（3—115）則可寫成

水文地球化學基礎

式（3—122）符合Gapon（加彭）方程式。在Gapon方程式中，摩爾分數和當量分數是一樣的，都是電荷為—1的單一交換位。

還有一種交換形式為：

水文地球化學基礎

Y指交換位的電荷為—2，這種反應式同樣是交換反應的一種有效熱力學描述。它假定交換位Y的總濃度為

水文地球化學基礎

S則為陽離子交換容量的二分之一。Cernik（采爾尼克）等根據當量分數利用反應式（3—123），將交換系數表示為：

水文地球化學基礎

3.質量作用方程擬合

利用Gaines—Thomas（GT）方程式、Vanselow（VS）方程式和Gapon（GP）方程式對在砂樣中進行的試驗所獲得的數據進行擬合，根據擬合結果作出 Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺吸附等溫線（劉茜，2007），如圖3—4～圖3—7所示。

圖3—4 Na⁺吸附等溫線和擬合數據

由吸附等溫線可以看出，砂樣對Na⁺、Mg²⁺、K⁺的吸附量均隨著溶液中離子濃度的增加而逐漸增加，而Ca²⁺發生解吸。圖3—4中，砂樣對Na⁺的吸附量隨溶液中離子濃度的增加而緩慢增加。圖3—5中，在Ca²⁺濃度較低時，解吸量迅速增大，當Ca²⁺濃度較高時，隨濃度增加解吸量增加緩慢，逐漸趨於平穩狀態。

圖3—6中Mg²⁺濃度較低時，吸附量增加較慢，在較高濃度時增加較快，但並沒有出現Ca²⁺的解吸等溫線中的平穩狀態，依然為直線型，且直線的斜率大於低濃度狀態時的斜率，說明Na⁺、Mg²⁺的吸附速率在低濃度（海水含量為20%左右）時較小，在高濃度時，吸附速率變大；Ca²⁺的解吸在高濃度時基本達到平衡，而Na⁺、Mg²⁺還有增長趨勢，也較好證明了試驗所用砂樣的交換位主要為Ca²⁺所佔據。圖3—7中K⁺實測值的吸附等溫線則沒有出現Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺的規律，雖然整體上隨著溶液離子濃度的增加，吸附量也是增長趨勢，但並沒有出現直線規律。究其原因，主要是陽離子交換吸附作用不大，主要是化學吸附，因為K⁺的水化膜較薄，所以有較強的結合力，K⁺被吸附後，大多被牢固吸附在黏土礦物晶格中。

圖3—5 Ca²⁺吸附等溫線和擬合數據

圖3—6 Mg²⁺吸附等溫線和擬合數據

圖3—7 K⁺吸附等溫式和擬合數據

由吸附等溫線模擬圖（圖3—4～圖3—7）及公式與試驗數據擬合的相關系數（表3—17）看出，GT方程式擬合效果較好，能夠很好地預測離子交換趨勢。因此，在多組分離子交換模擬計算中採用Gaines—Thomas方程，為陽離子交換的定量研究提供了依據。

表3—17 GT、GP、VS方程式擬合的相關系數

所以根據Gaines—Thomas方程式（3—126）～式（3—131）計算離子交換系數（表3—18）。由於 9 種配比濃度的離子強度不同，所以各自的交換系數也有所差別。對比

、

、

可知3種離子的吸附親和力順序為Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺。但是由於海水中Na⁺、Mg²⁺含量遠遠高於地下水，尤其是Na⁺的含量比地下水高出3個數量級，因此，海水入侵過程中以Ca²⁺、Na⁺交換為主，其次為Ca²⁺、Mg²⁺交換，交換量最少的為Ca²⁺、K⁺。

水文地球化學基礎

表3—18 試驗土樣不同濃度下的交換系數

『陸』 為什麼要檢測土壤中陽離子交換量

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附的各種陽離子的總量。

不同土壤陽離子代換量的可以反應出土壤膠體的不同、土質的不同、以及土壤PH值的不同。

其反應了土壤緩沖能力的高低。鹽基飽和度：土壤膠體中交換性鹽基離子佔全部交換性陽離子總量的百分比。其反應出了土壤中有效成分含量的大小。

基於以上兩者的各自特點和聯系，可以反應出土壤土質膠體的基本情況、土壤的保肥能力以及在改良土壤、合理施肥時憑借的重要指標。

『柒』 土壤中陽離子的交換作用

土壤的陽離子交換性能，是指土壤溶液中的陽離子與土壤固相陽離子之間所進行的交換 作用，它是由土壤膠體表面性質所決定。土壤膠體是土壤中粘土礦物和腐殖酸以及相互結合形成的復雜有機礦質復合體，其吸收的陽離子包括鉀、鈉、鈣、鎂、銨、氫、鋁等。土壤交換性能對植物營養和施肥有較大作用，它能調節土壤溶液的濃度，保持土壤溶液成分的多樣性和平衡性，還可保持養分免於被雨水淋失.

土壤鹽基飽和度(BS)
Base Saturation
土壤膠體上的交換性鹽基離子佔全部交換性陽離子(總量)的百分比。
酸基離子：H+、Al3+
鹽基離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+等
BS真正反映土壤有效(速效)養分含量的大小，是改良土壤的重要依據之一。

鹽基飽和度是指土壤吸附交換性鹽基總量的程度。土壤吸附性陽離子，根據其解吸後的化學特性可區分為致酸的非鹽基離子（如氫和鋁離子）與非致酸的鹽基離子（如鈣、鎂、鈉等）兩大類。當土壤膠體所吸附的陽離子基本上屬於鹽基離子時，稱為鹽基飽和土壤，呈中性、鹼性、強鹼性反應；反之，當非鹽基離子占相當大比例時，稱為鹽基不飽和土壤，呈酸性或強鹼性反應。土壤鹽基飽和度以土壤的交換性鹽基總量占土壤陽離子代換量的百分比表示。鹽基飽和度的大小，可用作施用石灰或磷灰石改良土壤的依據。