Kationenaustauschkapazität

Die Kationenaustasuchkapazität gibt Auskunft über die Menge an Kationen, die in einem Boden adsorbiert und bei Bedarf gegen in Lösung befindliche Kationen ausgetauscht werden können.
In Böden befinden sich wichtige Nährstoffe, die Pflanzen für ihr Wachstum benötigen. Dazu zählen Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Magnesium (Mg²⁺) oder Calcium (C^a2+). Es können allerdings auch Schadstoffe wie z.B. Cadmium, Blei oder Quecksilber von den Pflanzen aufgenommen werden

Austausch von Kationen

Der Austausch von Kationen basiert auf der Grundlage von Ionenaustausch-Prozessen zwischen Bodenpartikeln, Bodenlösung und Pflanzenwurzeln. Letztere scheiden bei der Zellatmung u.a. H⁺ Ionen aus und geben sie an die Bodenlösung ab. Im Austausch wird dafür eine äquivalente Menge an Kationen aus der Bodenlösung aufgenommen. Diese Kationen adsorbieren an negativ geladenen Tonmineralen und Ton-Humus-Komplexen.
Es wird zwischen basenbildenden und säurebildenden Kationen unterschieden. Zu den ersteren zählen Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Magnesium (Mg²⁺) und Calcium (Ca²⁺), zu den letzteren Wasserstoff (H⁺), Aluminium (Al³⁺) und Eisen, Fe³⁺).
Der Vorgang des Austausches ist reversibel und bereitet eine Grundlage für eine gute Nährstoffverfügbarkeit im Boden. Die Affinität der Kationen an den Austauscheroberflächen zu adsorbieren ist von ihrer Ladung (Wertigkeit) und der Größe (Ionenradius) abhängig. Je höher die Wertigkeit ist, desto stärker werden sie durch elektrostatische Kräfte von negativ geladenen Austauscheroberflächen angezogen. (z. B. Na⁺ < Mg²⁺ < Al³⁺ < T⁴⁺). Bei Kationen mit gleicher Wertigkeit steigt die Affinität mit Zunahme des Kationenradius. (z. B. Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺).

Kationenaustaschkapazität

Man unterscheidet zwischen effektiver (KAK_eff in cmol_c kg^-1) und potentieller Kationenaustauschkapazität (KAK_pot in cmol_c kg^-1). Erstere wird bei bodeneigenen pH-Wert aus der Summe der Ladungen aller austauschbaren Hauptkationen (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Al³⁺, H⁺) bestimmt, letztere umfasst alle Kationen bei einem pH von 8,1 die potentiell desobierbar sind. Der prozentuale Anteil der basischen Kationen in der KAK_eff wird als Basensättigung bezeichnet.

Bodenfruchtbarkeit

Die basenbildenden Kationen sind für Pflanzen wichtige Nährstoffe. Je mehr davon an Tonmineralen und Huminstoffen adsorbiert sind, desto höher ist die Bodenfruchtbarkeit. Deshalb hängt die Kationenaustauschkapazität sehr stark vom Bodentyp ab. Da Sand überwiegend aus Quarz besteht und eine geringe spezifische Oberfläche besitzt, hat er kein gutes Speichervermögen. Aus diesem Grund sind auf sandigen Böden eher Pflanzen anzutreffen, die mit dieser Nährstoffarmut und Trockenheit zurechtkommen. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche und ihrer Struktur sind Tone in der Lage, viele Kationen zu binden. Humus besitzt ebenfalls eine hohe spezifische Oberfläche und ist deshalb auch in der Lage, Kationen reversibel anzulagern.

Einfluss des pH-Wertes auf die Kationenaustauschkapazität

Ein weiterer, wichtiger Einflussfaktor ist der pH-Wert. Je höher dieser ist, desto, höher ist auch die Kationenaustauschkapazität. Die Bindung, der Wasserstoffionen ist im Gegensatz zu den basischen Kationen viel fester. Dies hat zur Folge, dass die Plätze für die Nährstoff-Kationen K, Mg und Ca blockiert sind. Analog gilt das auch für die sauren Kationen Aluminium und Eisen. Durch Niederschläge, biologische Aktivität und Pflanzenwuchs werden regelmäßig g H-Ionen zugeführt und verursachen ein langsames aber unaufhaltsames sinken des pH-Werts in Böden.

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Karin Meisburger

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