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Cation Exchange Capacity (CEC) - 土壤的陽離子交換容量測定方法

2021/07/22
其實這篇文章只是因為我看到的引用文獻不統一，就好奇到底方法是出自哪一篇，因此想把兩篇看完。

We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard.
—John F. Kennedy

何謂陽離子交換容量 (Cation Exchange Capacity, CEC)

土壤的各種組成物有的帶電，有的不帶電，帶電的組成物就會吸引帶電的離子 (ion)，進而將離子保留在土壤中。而眾所周知正負電相吸，帶正電的組成物就會吸引陰離子 (anion)，帶負電的組成物就會吸引陽離子 (cation)。土壤中的礦物因為發生同構置換 (isomorphic substitution) 多帶有負電荷，也因此土壤容易吸附陽離子，這種吸附陽離子的能力大小就是CEC，CEC越高代表土壤能夠吸附陽離子的能力越強 (同理，也有陰離子交換容量的測定方法)，CEC現行的國際單位是cmol(+)/kg，比較舊的文獻會使用meq/100 g soil，但兩者相等。
帶電荷較高的礦物就具有較高的CEC，常見的黏土礦物例如

• 蛭石 (vermiculite) CEC = 120-150 cmol(+)/kg
• 膨潤石 (smectite) CEC = 80-120 cmol(+)/kg
• 伊萊石 (illite) CEC = 20-40 cmol(+)/kg
• 綠泥石 (chlorite) CEC = 10-40 cmol(+)/kg
• 高嶺石 (kaolinite) CEC = 1-10 cmol(+)/kg

除了礦物中的永久電荷 (permanent charge) 之外，土壤中也帶有許多的可變電荷 (variable charge)，這些可變電荷會受到pH值的影響 (例如有機質官能基的解離與否)，因此土壤的CEC也會受到pH值的影響，這代表測定CEC時，環境pH值是很重要的，不同pH值下測得的CEC也不同，因此紀錄CEC數值時也要包含使用的方法，也須將其視為操作性定義。
在土壤中常見的可交換性陽離子包含K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，他們被稱為exchangeable bases，以Ca²⁺跟Mg²⁺在土壤中的含量較高。將土壤中所測得可交換性K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的含量除以土壤的CEC，就稱之為鹽基飽和度 (Base Saturation, BS)，以百分比表示，代表這四種交換性陽離子佔總CEC的比例。

測定方法與步驟

我說的引用文獻不統一指的是有兩個常見的方法引用來源，分別為Rhoades (1982) 以及Thomas (1982)，這兩篇是Soil Science Society of America出版的方法書中相鄰的兩個章節，題名分別為Cation exchange capacity與Exchangeable cations。在參考過兩篇文獻後，確認常使用的pH 7醋酸銨淋洗法是來自Thomas (1982)，雖然如此，兩篇文獻都值得一讀。
CEC及BS的測定最常使用pH 7醋酸銨淋洗法，其原理是使用調整至中性 (pH = 7) 的1 M醋酸銨進行淋洗，由於調整pH值至中性，所以此方法不適用在含有大量CaCO₃或石膏的鹼性土壤。由於此方法已被廣泛使用並改良成以淋洗管柱來進行，就不敘述原文的實驗步驟，而是調整過後的管柱淋洗法，可將淋洗液置於淋洗管上的分液漏斗，調整開關來淋洗。

實驗流程

1. 將5 g通過10 mesh篩網的土壤置於淋洗管柱內並組裝實驗裝置
2. 以100 mL 1M醋酸銨進行淋洗，目的是以過量的銨離子 (NH₄⁺) 將可交換性陽離子交換出來，此濾液上機分析K、Na、Ca、Mg含量，即為土壤中原本附著的含量
3. 此時土壤中可吸附陽離子的位置均被NH₄⁺所佔據，但仍有在水溶液中未被吸附的NH₄⁺
4. 以100 mL 酒精進行淋洗，目的是洗去未被吸附的多餘NH₄⁺ (若使用水淋洗則會將吸附的也洗掉，所以用酒精)，此洗液可以丟
5. 以100 mL 酸化10%氯化鈉進行淋洗，目的是以過量的Na⁺將NH₄⁺交換出來，此濾液以定氮方法分析濾液中的NH₄⁺含量，即可推算CEC含量

同時須進行空白試驗。
土的用量可調整，2-10 g都有人使用。在淋洗的過程中，全程不能讓土乾掉，保持淋洗液面高度約土面上3 mm。
一般在臺灣的土壤中，可交換性Ca佔最多數，是可交換性Mg的2-10倍，可交換性K、Na則量較少，在計算上機稀釋倍率時可先將CEC全部視為可交換性Ca來推算。

藥品配置

• 1 M醋酸銨 (ammonium acetate, NH₄OAc)：將57 mL 冰醋酸稀釋至約500 mL後加入70 mL 氨水 (NH₄OH)，加水稀釋至約950 mL後以醋酸或氨水調整pH值至7，後定量至1000 mL
• 酸化10%氯化鈉：將100 g NaCl溶於適量水中，加入0.42 mL 濃鹽酸 (HCl) 後定量至1000 mL

參考資料

Rhoades, J.D. 1982. Cation exchange capacity. In: Page, A.L., Miller, R.H., Keeney, D.R. (Eds.), Methods of Soil Analysis: Part 2, 2nd edition. Agronomy Monograph 9. (pp. 149–157). Madison, WI: American Society of Agronomy and Soil Science Society of America. https://doi.org/10.2134/agronmonogr9.2.2ed.c8
Thomas, G.W. 1982. Exchangeable cations. In: Page, A.L., Miller, R.H., Keeney, D.R. (Eds.), Methods of Soil Analysis: Part 2, 2nd edition. Agronomy Monograph 9. (pp. 149–157). Madison, WI: American Society of Agronomy and Soil Science Society of America. https://doi.org/10.2134/agronmonogr9.2.2ed.c9