根的陽離子交換量主要起源於

1. 什麼是陽離子交換量

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、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。

2. 陽離子交換量在土壤地理學中如何定義的，它後面的單位：CEC7是什麼意思

土壤是地球岩石最表層經億萬年風化和生物活動所形成的物質。迄今為止，絕大多數作物都是在土壤上栽培。土壤是生物圈、岩石圈、大氣圈和水圈的交匯點。普通人常常認為土壤只是固體。其實，土壤由固體顆粒、土壤溶液和土壤空氣三部分組成。土壤由固體顆粒構成有大小孔隙的土壤結構，土壤水分（溶液）占據土壤的中小孔隙，土壤空氣占據土壤大孔隙。

土壤固體大顆粒稱為砂粒，中等粒徑的顆粒稱為粉粒，細小顆粒稱為粘粒。根據三種土粒含量不同，將土壤分為12類，其中較為典型的有三種：砂粒含量特別多的是砂土；粘粒含量特別多的是粘土；而砂粒、粉粒、粘粒三者比例相等的是壤土。壤土的土壤耕性最好，土壤水氣比例最易達到理想范圍，土壤溫度狀況也較易保持和調整，也就是說，壤土的土壤物理性質最理想。砂土往往氣多水少，溫度易偏高。粘土則水多氣少，溫度易偏低，緊實粘重。

土壤水氣比例對土壤氧化還原電位有影響。土壤氧化還原電位影響土壤中一些微量元素的有效性。水多氣少使土壤氧化還原電位降低，鐵、錳等離子大多還原為有效態，但也容易從土壤中淋失。

土壤礦質顆粒和有機質顆粒都帶負電，對土壤中的陽離子有吸附性。土壤粘粒所能吸附的鹽基陽離子總量稱為陽離子交換量，土壤粘粒上吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子不斷進行交換，達成動態平衡。施肥或通過其它途徑進入土壤溶液的養分陽離子大多先被土壤粘粒吸附，待植物根系吸收利用掉溶液中的養分陽離子時，被吸附的交換性陽離子再逐漸解吸釋放進入土壤溶液，補充被吸收的部分。養分由土壤到植物的機理當然比這樣簡單的描述要復雜得多。

陽離子交換量中鈣、鎂、鉀、鈉四種鹼性離子所佔陽離子交換量的百分比叫做鹽基飽和度。做鹽基飽和度較高的土壤肥力較高，土壤pH值也較高。

土壤pH值包括土壤活性酸度和潛在酸度。土壤活性酸度土壤溶液中表觀的H+活度，而潛在酸度與陽離子交換量（又稱土壤緩沖能力）有關。

現在越來越強調土壤管理的重要性。土壤管理主要涉及對土壤物理性質的保護，同時兼顧土壤化學性質，與土壤耕性、土壤肥力和防止土壤侵蝕有關。

3. 陽離子交換作用的特徵地理變化趨勢及產生原因

摘要 陽離子交換量是隨著土壤在風化過程中形成，一些礦物和有機質被分解成極細小的顆粒。化學變化使得這些顆粒進一步縮小，肉眼便看不見。這些最細小的顆粒叫做「膠體」。每一膠體帶凈負電荷。電荷是在其形成過程中產生的。它能夠吸引保持帶正電的顆粒 ，就像磁鐵不同的兩極相互吸引一樣。陽離子是帶正電荷的養分離子，如鈣（Ca)、鎂（Mg)、鉀（K)、鈉（Na)、氫（H)和銨(NH4)。粘粒是土壤帶負電荷的組份。這些帶負電的顆粒（粘粒）吸引、保持並釋放帶正電的養分顆粒（陽離子） 。有機質顆粒也帶有負電荷，吸引帶正電荷的陽離子。砂粒不起作用。

4. 陽離子交換量的概念介紹

土壤陽離子交換量源(CEC)
Cation Exchange Capacity
在一定pH值(=7)時，每千克土壤中所含有的全部交換性陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)的厘摩爾數(potential CEC)。
常用單位：cmol(+)/kg土
國際單位：mmol/kg土
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。

5. 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

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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）。

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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

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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

6. 什麼叫做陽離子交換

如:根毛外表面附著的一些氫離子,可以與土壤溶液中的鉀離子或鈣離子交換.

交換的結版果是:鉀離子和鈣離權子附著在根毛表面.氫離子進入土壤溶液.

這樣細胞就可以把鉀離子與鈣離子吸收到植物體內.

這種過程叫做交換吸附. 同理,陰離子之間也可以發生交換吸附.

7. 交換作用的土壤中陽離子的交換作用

土壤襲的陽離子交換性能是由土壤膠體表面性質所決定，由有機質的交換基與無機質的交換基所構成，前者主要是腐殖質酸，後者主要是粘土礦物。它們在土壤中互相結合著，形成了復雜的有機無機膠質復合體，所能吸收的陽離子總量包括交換性鹽基(K+、Na+、Ca++、Mg++)和水解性酸，兩者的總和即為陽離子交換量。其交換過程是土壤固相陽離子與溶液中陽離子起等量交換作用。

1、土壤陽離子交換量是隨著土壤在風化過程中形成，一些礦物和有機質被分解成極細小的顆粒。化學變化使得這些顆粒進一步縮小，肉眼便看不見。

2、這些最細小的顆粒叫做「膠體」。每一膠體帶凈負電荷。電荷是在其形成過程中產生的。它能夠吸引保持帶正電的顆粒
，就像磁鐵不同的兩極相互吸引一樣。陽離子是帶正電荷的養分離子，如鈣（Ca)、鎂（Mg)、鉀（K)、鈉（Na)、氫（H)和銨(NH4)。粘粒是土壤帶負電荷的組份。

3、這些帶負電的顆粒（粘粒）吸引、保持並釋放帶正電的養分顆粒（陽離子）
。有機質顆粒也帶有負電荷，吸引帶正電荷的陽離子。砂粒不起作用。

4、陽離子交換量（CEC)是指土壤保持和交換陽離子的能力，也有人將它稱之為土壤的保肥能力。

8. 陽離子交換量是物理因素還是化學因素

陽離子交來換量是物理因素還是源化學因素
不同土壤的陽離子交換量不同,主要影響因素：a,土壤膠體類型,不同類型的土壤膠體其陽離子交換量差異較大,例如,有機膠體>蒙脫石>水化雲母>高嶺石>含水氧化鐵、鋁.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.土壤陽離子交換量是影響土壤緩沖能力高低,也是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據.