Kationenaustauschkapazität (KAK)
Ein Maß für die Menge der Kationen (positiv geladene Ionen), die ein Stoff mit überwiegend negativer Ladung (z.B. Tonminerale, Humus) adsorbieren und gegen in Lösung befindliche Kationen wieder austauschen kann. Die KAK eines Bodens kennzeichnet so die austauschbare Kationenmenge (cmol+) bezogen auf eine bestimmte Bodenmasse (kg Boden).
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 (Desorption) 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 Al3+ und Al3+ vor. Auch potentielle Schadstoffe wie z.B. Pb, Cd, Hg, Cr, Sr, u.a. können, soweit sie als Kationen im Sickerwasser vorliegen, adsorbiert und ausgetauscht werden.
Bei der Kationenaustauschkapazität handelt es sich um eine Potentialgröße. Je höher die KAK eines Bodens, desto größer ist seine Möglichkeit, Nährstoffkationen zu binden. Je höher die Werte also, desto besser, da die potenzielle Menge an den pflanzenverfügbaren Nährstoffen Calcium, Magnesium und Kalium steigt.
Tonminerale und besonders Fulvo- und Huminsäuren bilden als sogenannte Ton-Humus-Komplexe bedeutende Nährstoffträger. Als wichtigste Kationenaustauscher gelten die Huminstoffe. Bei den silikatischen Tonmineralen stehen die dreischichtigen Smectite und Vermiculite an der Spitze der Sorptionsträger, gefolgt von dem ebenfalls dreischichtigen Tonmineral Illit. Eine extrem niedrige Austauschkapazität besitzen die als Sesquioxide zusammengefassten Oxide und Hydroxide von Eisen und Aluminium (z.B. Goethit, Hämatit, Gibbsit).
Dementsprechend haben z.B. Vertisole, in deren Tonfraktion Smectite dominieren, eine hohe KAK. Hingegen besitzen tropisch/subtropische Lixisole, Acrisole und Nitisole, bei denen Kaolinite vorherrschen, eine niedrige KAK. Extrem niedrig ist sie in Böden, in denen neben Kaolinit hohe Anteile an Sesquioxiden vorliegen, wie z.B. in manchen Ferralsolen.
Man unterscheidet die effektive Kationenaustauschkapazität und potentielle Kationenaustauschkapazität. Die effektive bzw. aktuelle, KAK ist die KAK des Bodens bei dessen jeweiligem pH-Wert; die potentielle bzw. maximale KAK gibt die austauschbaren Kationen bei einem pH-Wert zwischen 7 und 7,5 an.
Der prozentuale Anteil der austauschbaren Kationen an der KAK wird als Basensättigung bezeichnet.
Bedeutung
Austauschbare Kationen können innerhalb des Bodens verschoben, in benachbarte Ökosysteme (z. B. Gewässer) verlagert oder von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden. Sie betreffen damit unmittelbar die Nährstoffversorgung der Pflanzen und den Stoffhaushalt von Landschaften. Darüber hinaus beeinflussen die austauschbaren Kationen wichtige Bodeneigenschaften wie das Gefüge, den Wasser- und Lufthaushalt, die Bodenreaktion und nicht zuletzt die biologische Aktivität. Die Kationenaustauschkapazität eines Bodens kann daher als ein Bodenbewertungsmaß angesehen werden (z. B. für landwirtschaftliche Bodenschätzkarten).
Weitere Informationen:
- Ionenaustausch (ahabc.de)
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