Kationenaustauschkapazität

Böden können Anionen und Kationen mehr oder weniger reversibel an feste, immobile Oberflächen binden (adsorbieren) und so deren Auswaschung verzögern oder verhindern. In Böden überwiegen Partikel mit negativ geladenen Oberflächen, die als Kationenaustauscher wirken. Kationenaustauscher dienen als Reservoir für Pflanzennährstoffe, die durch Ionenaustauschvorgänge nach und nach an die Bodenlösung abgegeben und von den Wurzeln aufgenommen werden können. Diese Kationenaustauschkapazität hängt ab von der Art und der Menge der Tonminerale, vom Gehalt an organischer Substanz und ihrer Zusammensetzung sowie untergeordnet vom Schluffgehalt und vom Anteil pedogener Oxide. Die Fähigkeit, Kationen zu adsorbieren hängt bei pedogenen Oxiden und der organischen Substanz vom pH-Wert ab, sie steigt mit steigendem pH-Wert. Mit dem pH-Wert ändert sich auch die Belegung der Kationenaustauscher. So überwiegen in basischen bis schwach sauren Böden die Kationen Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ und Na⁺ am Kationenbelag der Austauscher; in stark sauren Böden herrschen H⁺ und Al ³⁺ vor.

Die Kationenaustauschkapazität eines Bodens kennzeichnet die austauschbare Kationenmenge (cmol⁺) bezogen auf eine bestimmte Bodenmasse (kg Boden). Sie wird als potentielle Kationenaustauschkapazität bei einem pH-Wert von pH 8,2 durch Austausch der Kationen gegen eine gepufferte Salzlösung wie 0,1-molare BaCl₂-Triäthanolamin oder 1-molare NH4-Acetat bestimmt. Als effektive Kationenaustauschkapazität wird sie beim aktuellen pH-Wert des jeweiligen Bodens durch Austausch der Kationen gegen eine ungepufferte Salzlösung wie 0,5-molare NH₄Cl bestimmt. Die potentielle Kationenaustauschkapazität schwankt in Abhängigkeit vom Tongehalt der Böden ganz erheblich: in Tonböden kann sie über 20 cmol⁺/kg Boden liegen, in humusarmen Sandboden häufig unter 0,5 cmol⁺/kg Boden. Für mitteleuropäische Böden mit überwiegend illitischen Tonen kann sie nach DIN 4220 aus den Ton- und Schluffgehalten einer Körnungsanalyse durch folgende empirische Gleichung ermittelt werden:

Kationenaustauschkapazität (cmol+/kg) = 0,5 * Tongehalt + 0,05 * Schluffgehalt.

Die Angaben zur potentiellen Kationenaustauschkapazität der digitalen Bodenkarte werden aus dem Tongehalt, dem Schluffgehalt und dem Gehalt an organischer Substanz der Schichteinschreibungen in cmol⁺/kg berechnet. In Bodenkarten wird der Humusgehalt nur dann ausgewiesen, wenn er von 1,5 % für Acker und von 2,5 % für Grünland deutlich abweicht; fehlen Angaben zum Humusgehalt, wird mit diesen Mittelwerten gerechnet. Die schichtspezifischen Werte werden bei einer einheitlichen Lagerungsdichte von 1,55 kg/dm³ über eine Bezugstiefe aufsummiert. Daraus ergibt sich die Einheit mol⁺/m² bezogen auf die gewählte Tiefe.

Wenn für einen Boden die potentielle Kationenaustauschkapazität und der pH-Wert (in CaCl₂) vorliegen, dann kann durch Multiplikation der potentiellen Kationenaustauschkapazität mit den Faktoren aus Tabelle 1 die effektive Kationenaustauschkapazität abgeleitet werden.

Tabelle 1: Faktoren zur Ableitung der effektiven Kationenaustauschkapazität aus der potentiellen Kationenaustauschkapazität in Abhängigkeit vom pH-Wert (in CaCl₂)

pH-Wert (in CaCl2)	>= 7,5	7,5 bis 6,5	6,5 bis 5,5	5,5 bis 4,5	4,5 bis 3,5	< 3,5
Faktor	1,0	0,8	0,6	0,4	0,25	0,15

Klassifikation und Farbzuweisung in der Karte der Kationenaustauschkapazität
bis 40 mol^+/m^2	40 bis 80 mol^+/m^2	80 bis 160 mol^+/m^2	160 bis 320 mol^+/m^2²	320 bis 640 mol^+/m^2	über 640 mol^+/m^2
sehr gering	gering	mittel	hoch	sehr hoch	extrem hoch
rotbraun 230 115 115 #E67373	rot 255 191 191 #FFBFBF	orange 255 204 128 #FFCC80	gelb 255 255 102 #FFFF66	hellgrün 217 255 128 #D9FF80	grün 179 255 115 #B3FF73

Zu den Einheiten:

1 cmol⁺/kg = 10 mmol⁺/kg = 10 µmol⁺/g
Anstelle von mol⁺ nach DIN findet sich gleichbedeutend auch: molc, mol(IÄ), mol(eq) oder val.

Weil die potentielle Kationenaustauschkapazität vor allem in älterer Literatur mit dem T-Wert gleichgesetzt wird, folgt hier eine kurze

Erläuterung verwandter Begriffe:

S- Wert = Menge der austauschbar gebundenen basisch wirkenden Kationen (sorbierten Basen) Ca²⁺, Mg²⁺, K+, Na⁺, in mmol⁺ je 100 g trockener Boden

H- Wert = Menge der austauschbar gebundenen, versauernd wirkenden Kationen H⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, in mmol+ je 100 g trockener Boden

T- Wert = Menge der austauschbar gebundenen basisch und versauernd wirkenden Kationen in mmol+ je 100 g trockener Boden
= Summe aus S-Wert und H-Wert: T-Wert = S-Wert + H-Wert
= Kationenaustauschkapazität

V-Wert = prozentualer Anteil der austauschbaren basischen Kationen (S-Wert) an der Gesamtmenge der austauschbaren Kationen (T-Wert) in %
und damit quantitatives Maß für den Sättigungsgrad eines Bodens an basischen Kationen gegenüber der Gesamtmenge an Kationen.
= Basensättigung
= S-Wert / T-Wert * 100 = S-Wert / (S-Wert + H-Wert) * 100

Für die effektive Kationenaustauschkapazität sind die Begriffe wie folgt definiert:

Ma = Summe der austauschbar gebundenen, versauernd wirkenden Kationen H⁺, Al³⁺, Fe3⁺, Mn²⁺ in mmol+ je kg trockener Boden

Mb = Summe der austauschbar gebundenen, basisch wirkenden Kationen Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ in mmol⁺ je kg trockener Boden

KS = prozentualer Anteil der austauschbar gebundenen, versauernd wirkenden Kationen, Ma, an der gesamten effektiven Kationenaustauschkapazität
= Ma * 100 / (Ma + Mb)

KB = Basensättigung
= prozentualer Anteil der austauschbar gebundenen, basisch wirkenden Kationen, Mb, an der gesamten effektiven Kationenaustauschkapazität
= Mb * 100 / (Ma + Mb)