На поверхности глинистых частиц и органического вещества почвы есть отрицательно заряженные участки. Они притягивают положительные ионы — катионы кальция, магния, калия, аммония и других элементов. В отличие от вещества, прочно включённого в кристаллическую решётку минерала, обменный ион может перейти в почвенный раствор, уступив место другому катиону. Поэтому почва одновременно удерживает часть растворённых веществ от быстрого вымывания и поддерживает их обмен с водой, из которой питаются корни.[1]
Например, внесённый калий не обязательно целиком остаётся в растворе после первого дождя: часть его может занять обменные позиции. Когда корни поглощают растворённый калий, обменная часть способна пополнять раствор. Это не создание нового питательного вещества, а перераспределение уже имеющегося запаса. Сам показатель ёмкости сообщает, сколько заряда могут вместить обменные позиции, но не показывает, сколько именно калия, кальция или магния там находится.[1]
Что означают единицы и от чего зависит ёмкость
Ёмкость обычно выражают в смоль заряда на килограмм почвы — cmolc/kg, также пишут смоль(+)/кг. Численно это соответствует миллиэквивалентам на 100 г. Считают заряд, поскольку одновалентный калий K⁺ и двухвалентный кальций Ca²⁺ занимают неодинаковое количество обменных позиций. Например, 10 смоль положительного заряда соответствуют 0,10 моля одновалентных ионов или 0,05 моля двухвалентных. В реальной почве позиции заняты смесью разных катионов, а не одним элементом.
Содержание и состав глины и органического вещества сильно меняют результат. В справочной таблице Университета Джорджии для песчаных почв приведено 1–5, для суглинков — 5–15, для глинистых почв — более 30 мэкв/100 г. Эти диапазоны иллюстрируют различия, но не являются универсальными нормативами плодородия: даже глинистые минералы разных типов имеют существенно разную ёмкость. Один лишь процент глины не позволяет точно предсказать показатель.[2]
Часть заряда зависит от кислотности. Поэтому эффективная ёмкость, определённая при условиях, близких к фактическому pH почвы, может отличаться от результата, полученного с буферным раствором при pH 7. В руководстве USDA эти показатели рассматриваются отдельно. Если кислую почву исследовать при искусственно повышенном pH, результат может описывать больше обменных позиций, чем доступно при её исходном состоянии. Изменение метода способно изменить цифру без какого-либо улучшения самой почвы.[3]
Почему высокая ёмкость ещё не означает здоровую почву
Важны не только число позиций, но и их заполнение. Почва с большой ёмкостью может удерживать значительную долю ионов, связанных с кислотностью, вместо достаточного количества питательных оснований. И наоборот, небольшая ёмкость песчаной почвы означает ограниченный обменный запас, но не делает выращивание растений невозможным. Удерживающую способность и фактическую обеспеченность элементами рассматривают вместе; подмена одного показателя другим приводит к неверным выводам о причинах плохого роста.[2]
Другой пример — избыток обменного натрия. Даже при достаточной общей ёмкости высокая доля Na⁺ способна ухудшать структуру почвы: частицы глины рассеиваются, водопроницаемость падает, корням становится труднее получать воду и воздух. В материалах NC State этот механизм рассматривается для сельскохозяйственных почв, испытывающих влияние солёных вод. Для такой проблемы имеет значение доля натрия в обменном комплексе, а не просто большое или малое значение ёмкости.[4]
Катионная ёмкость характеризует удержание положительно заряженных ионов. Она не определяет задержку нитрата NO₃⁻ тем же механизмом: анионный обмен оценивают отдельно. При изменении состава раствора удержанные катионы могут снова перейти в воду. Для прогноза важны и ёмкость, и состав обменного комплекса.[1][3]