陽イオン交換容量

陽イオン交換容量（CEC ）は、土壌粒子の表面に保持できる陽イオンの数の尺度です。 ^{[1]土壌粒子の表面の} 負電荷は、正に帯電した原子または分子（陽イオン）と結合しますが、これらが周囲の土壌水中の他の正に帯電した粒子と交換できるようにします。^[2]これは、土壌中の固形物が土壌の化学的性質を変える方法の1つです。 CECは土壌化学の多くの側面に影響を及ぼし、いくつかの栄養素（例：K ⁺、NH ₄ ⁺、Ca ²⁺ ）を植物が利用できる形で保持する土壌の能力を示すため、土壌肥沃度の尺度として使用されます。また、汚染陽イオン（例：Pb ²⁺ ）を保持する能力も示します。

陽イオン交換容量は、土壌の質量あたりに交換できる正電荷の量として定義され、通常は cmol _c /kg で測定されます。一部の文献では、古い同等の単位である me/100g または meq/100g が使用されています。CEC は電荷のモル数で測定されるため、陽イオン交換容量が 10 cmol _c /kg の場合、土壌 1 kg あたり 10 cmol の Na ⁺陽イオン (陽イオンあたり 1 単位の電荷) を保持できますが、5 cmol の Ca ²⁺ (陽イオンあたり 2 単位の電荷) しか保持できません。^[1]

陽イオン交換容量は、土壌粒子表面、特に粘土鉱物や土壌有機物の表面のさまざまな負電荷から生じます。フィロケイ酸塩粘土は、アルミニウムとシリコンの酸化物の層状シートで構成されています。アルミニウムまたはシリコン原子をより低い電荷を持つ他の元素に置き換えると（たとえば、Al ^{3+ を}Mg ²⁺に置き換える）、粘土構造に正味の負電荷を与えることができます。^[2]この電荷は脱プロトン化を伴わないため、pHに依存せず、永久電荷と呼ばれます。^[1]さらに、これらのシートの端には多くの酸性ヒドロキシル基が露出しており、多くの土壌の pH レベルでは脱プロトン化されて負電荷が残ります。有機物も、荷電官能基の数が多いため、陽イオン交換に非常に大きく貢献します。CEC は通常、有機物含有量が最も高い土壌表面近くで高く、深さとともに低下します。^[3]有機物の CEC は pH に大きく依存します。^[1]

陽イオンは、その正電荷と表面の負電荷との間の静電相互作用によって土壌表面に吸着されますが、水分子の殻を保持し、表面と直接化学結合を形成しません。^{[4]交換性陽イオンは、このように帯電表面上の}拡散層の一部を形成します。結合は比較的弱く、陽イオンは周囲の溶液からの他の陽イオンによって表面から容易に置換されます。

粘土のヒドロキシ基または有機物の脱プロトン化による負電荷の量は、周囲の溶液の pH に依存します。pH が上昇すると (つまり、H ⁺カチオンの濃度が低下すると)、この可変電荷が増加し、したがってカチオン交換容量も増加します。

陽イオン交換容量は、結合した陽イオンを他の陽イオンの濃縮溶液で置換し、置換された陽イオンまたは保持された添加陽イオンの量を測定することによって測定されます。^[1]バリウム（Ba ²⁺）とアンモニウム（NH ₄ ⁺）は、交換陽イオンとしてよく使用されますが、他の多くの方法も利用可能です。^{[4] [5]}

CEC の測定は pH に依存するため、特定の pH 値の緩衝液を使用して行われることが多い。この pH が土壌の自然 pH と異なる場合、測定は正常な条件下での真の CEC を反映しない。このような CEC 測定は「潜在的 CEC」と呼ばれる。一方、土壌本来の pH での測定は「有効 CEC」と呼ばれ、実際の値に近くなるが、土壌間の直接比較が難しくなる可能性がある。^{[1] [5]}

土壌の陽イオン交換容量は土壌を構成する物質によって決まりますが、個々の CEC 値は大きく異なります。したがって、CEC は土壌が形成された親物質と土壌が形成された条件に依存します。これらの要因は、CEC に大きな影響を与える土壌 pH を決定するためにも重要です。

土壌材料のCECの典型的な範囲^{[1] [6] [7]}

塩基飽和度は、Ca ²⁺、Mg ²⁺、K ⁺、Na ⁺などの陽イオンが占める潜在的なCECの割合を表します。^{[1] [4]これらは、通常の化学的意味での}塩基ではありませんが、非酸性であるため、伝統的に「塩基陽イオン」と呼ばれています。^[1]塩基飽和度は土壌の風化の指標となり^[4]、植物にとっての交換可能な陽イオン栄養素の利用可能性を反映します。^[1]

土壌鉱物の正電荷は、陽イオン交換と同じ原理で陰イオンを保持することができます。カオリナイト、アロフェン、鉄およびアルミニウムの酸化物の表面は、多くの場合、正電荷を帯びています。 [ ^{1 ] ほとんどの土壌では、陽イオン交換容量は陰イオン交換容量よりもはるかに大きいですが、}フェラルソル（オキシソル） などの高度に風化した土壌では逆のことが起こることがあります。 ^[1]

Ramos, FT; Dores EFGC; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr JH; Maia JCS (2018)「土壌有機物はブラジルの無耕起農法における熱帯土壌の陽イオン交換容量を2倍にする」J Sci Food Agric. 10.1002/jsfa.8881