土壤肥力指标中的CEC和BS值是什么？

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导语

阳离子交换量（CEC）和盐基饱和度（BS）是重要的土壤肥力测量指标，有助于确定如何管理土壤健康和对土壤进行精准施肥。标准土壤测试实验室通常在土壤测试报告中计算和报告这两个值，本文有助于大家对CEC和BS有一个基本的了解。

阳离子交换量（CEC）是测定土壤中吸附钙（Ca2+）、镁（Mg2+）、钾（K+）等植物营养离子的总电荷量。因此，CEC是土壤的一种特性，描述了它向土壤溶液供应养分阳离子以供植物吸收的能力，常常被用来作为土壤肥力的一项重要指标。

 

那么，什么是阳离子交换（Cation Exchange）和阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC）？

土壤中的粘土颗粒（Clay Particles）和有机质往往带负电，从而通过静电力在其表面吸引带正电的离子（阳离子），如Ca2+、Mg2+、K+、Al3+、H+、Na+ 等。其结果是，阳离子能够留在植物根区的土壤内，不易随水分流动而淋失。

这些被吸附的阳离子很容易与土壤溶液中的其他阳离子进行交换，因此称之为阳离子交换（Cation Exchange）。

当植物根系（Root Hairs）吸收了一些阳离子（图1中的红色颗粒），土壤溶液中的离子浓度降低时，粘土颗粒（Clay Particles）吸附的阳离子就会释放出来，补充土壤溶液中的阳离子。这就是土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，简称CEC值。）

图1 土壤粘土颗粒表面和土壤溶液之间的阳离子交换，以及这些阳离子从粘土颗粒到植物根际的移动，以供根毛吸收。

图1 说明了土壤粘土颗粒上保留的阳离子，这些阳离子可以与土壤溶液中的阳离子交换。植物根系可以去除土壤溶液中的养分，从而导致养分从粘土颗粒中流失。向土壤中添加肥料会增加土壤溶液中养分的浓度，一方面可以供给植物根系吸收，另一方面，也同时增加养分向粘土颗粒移动并储存。土壤粘土颗粒保留阳离子的能力越高，其为植物持续提供养分的能力就越强。

植物所使用的营养离子最多的是钾（K+）、钙（Ca2+）、镁（Mg2+）。其它吸附在交换位上的阳离子有铵（NH4+）、钠（Na+）、氢（H+）、铝（Al3+）、铁（Fe2+或Fe3+）、锰（Mn2+）、铜（Cu2+）、锌（Zn2+）。锌、铜、铁和锰等微量元素阳离子在土壤中的浓度通常很低。

阳离子交换量（CEC）是预测植物养分在土壤中有效性和保持能力的基本土壤性质。它是有效养分供应的潜力，而不是对有效养分的直接测量。

图2 一个低CEC土壤，带有少量负电荷和吸附的阳离子（左）；一个高CEC土壤，带有大量负电荷，被更多的阳离子占据（右）。

土壤pH值对CEC值的影响

 

土壤的CEC值随pH值的变化而变化。

一般来说，土壤pH值为3.5-4.0时CEC最低，并随着pH值的升高而增加（如图3所示）。

由于CEC随土壤pH值的变化很大，通常在pH值为7.0时测量土壤CEC。

还要注意的是，在低pH值时，某些正电荷可能会出现在特定的土壤矿物颗粒表面上。这些正电荷保留了诸如氯化物（Cl-）和硫酸盐（SO4 2-）等阴离子（带负电荷的离子）。

 

 图3 三种土壤pH值水平下土壤组分表面的电荷量：3.5（极少带负电）、5.3（大部分带负电）和7.0（带负电）。

什么是盐基饱和度（Base Saturation Percent ，简称BS或BSP）？

 

盐基饱和度（BS）是盐基阳离子Ca2+、Na+、Mg2+和K+等所占CEC的百分比。

盐性阳离子有别于酸性阳离子氢离子（H+）和铝离子（Al3+）。在土壤pH值约为5.4或更低的情况下，Al3+以明显高的浓度存在，这阻碍了大多数植物物种的生长，并且土壤pH值越低，有毒Al3+的量就越大（图4）。

 

图4 具有不同盐基饱和度的土壤。

 一般来说，肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度，因为：

• 它们很少或没有对植物生长有毒的酸性阳离子Al3+。
• 盐基饱和度高的土壤具有较高的pH值；因此，它们对来自植物根系和土壤酸化过程（硝化作用、酸雨等）的酸性阳离子具有更大的缓冲作用。
• 它们含有大量的植物必需营养阳离子K+、Ca2+和Mg2+，供植物使用。

根据土壤的pH值，土壤的盐基饱和度可以是CEC的一部分，也可以近似等于CEC：一般来说，当土壤pH值低于7时，土壤的盐基饱和度小于CEC；在pH 7或更高的条件下，土壤粘粒矿物和有机质表面被碱性阳离子占据，因此，盐基饱和度等于CEC。

 

阳离子交换量（CEC）和盐基饱和度（BS）的意义

阳离子交换量（CEC）和盐基饱和度（BS）是重要的土壤测量指标，有助于确定如何管理土壤健康和为土壤进行精准施肥。

例如，CEC含量高的土壤比CEC含量低的土壤能保留更多的养分。在低CEC值的砂土上，一次施用大量肥料，养分容易由于淋溶而发生流失。相比之下，这些营养物质在粘土中更不易流失。

此外，作物在种植过程中，会向土壤释放酸性物质。低CEC土壤上，作物的生长会使土壤pH值降低；而高CEC土壤通常具有很好的缓冲作用，因此作物生长引起的pH变化要小得多。

标准土壤测试实验室通常在土壤测试报告中，一般会给出CEC值和BS值，以帮助种植者对土壤养分的肥力保持水平有更好的了解。

 

提高土壤阳离子交换量（CEC）的方法

 

不同土壤类型的CEC值差别很大。含砂量高的土壤对阳离子的保持能力较低，而粘土和粉土颗粒具有带负电的位置，使它们能够吸附和保持阳离子；因此，增加粘土的含量有助于提高其CEC值。

与粘土颗粒相似，有机质也有吸引和吸附阳离子的带负电位点。据报道，有机质的CEC值高达250 meq/100 g。提高土壤CEC的一种有机途径是，提高土壤有机质含量。这种方法速度虽然较慢，但长期的效果非常可靠。

图5 腐殖酸和黄腐酸是高度生物降解的有机物，它们能很好地螯合（捕捉和暂时保持）土壤中的微量元素。这些有机物具有极高的CEC值，可用于提高低CEC值土壤的持水保肥能力。

 

如果土壤酸性太强，可以使用石灰将土壤pH值提高以增加土壤CEC。随着pH值的增加，土壤粘粒和有机质上的氢（H+）被石灰中和，它附着的地方带有负电荷，可以容纳更多的阳离子钙、镁、钾等，CEC也就会随之增加。

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