Katyon Değişim Kapasitesi

Katyon değişim kapasitesi (KDK), toprağın bitki beslenmesi için hayati öneme sahip kalsiyum (Ca²⁺), magnezyum (Mg²⁺) ve potasyum (K⁺) gibi pozitif yüklü iyonları (katyonları) çekmesini, tutmasını ve değiştirmesini sağlayan toplam negatif yük olarak tanımlanan temel bir toprak özelliğidir.^[1] Bu kapasite, öncelikle kil minerallerinin ve organik maddenin yüzeylerinden kaynaklanır; burada negatif yükler katyonları tersinir bir şekilde bağlayarak yıkanmalarını önlerken bitki köklerinin ihtiyaç duyduğu şekilde serbest bırakılmalarına izin verir.^[2] 100 gram toprak başına milieşdeğer (meq/100 g) veya eşdeğer olarak kilogram başına santimol yük (cmol_c/kg) birimleriyle ölçülen KDK, toprağın bu besinleri depolama potansiyelini nicelleştirir; kumlu topraklarda düşük seviyelerden (3–5 meq/100 g) kilce zengin veya organik topraklarda yüksek seviyelere (20–100 meq/100 g) kadar değişen tipik değerler gösterir.^[3]

KDK’ya katkıda bulunan negatif yükler iki ana kaynaktan gelir: mineral kafeslerinde silikonun yerine alüminyumun geçmesi gibi izomorf ikame nedeniyle kil parçacıklarındaki kalıcı yükler ve asidik fonksiyonel grupların ayrışması yoluyla artan toprak pH’ı ile artan organik madde ve belirli killerden kaynaklanan pH’a bağlı değişken yükler.^[2] KDK’yı etkileyen faktörler arasında, yük bölgeleri için daha fazla yüzey alanı sağlayan daha ince killer ile toprak dokusu; kaba dokulu topraklarda bile KDK’yı önemli ölçüde artırabilen organik madde içeriği; ve asidik koşulların değişken yükleri azalttığı toprak pH’ı yer alır.^[1] Örneğin, yüksek kil veya humus içeriğine sahip topraklar, besin dalgalanmalarına karşı tamponlama kapasitelerini artıran daha büyük KDK sergiler.^[3]

KDK, besin mevcudiyetini belirleyerek ve gübreleme ve kireçleme gibi uygulamalara rehberlik ederek toprak verimliliği ve yönetiminde çok önemli bir rol oynar.^[1] Yüksek KDK’lı topraklar daha fazla katyon tutarak sık uygulama ihtiyacını azaltır ancak düzenleme gerektiğinde daha büyük dozlar gerektirirken, düşük KDK’lı topraklar kayıpları önlemek için bölünmüş, daha küçük besin girdileri talep eder.^[2] İlgili kavramlar arasında, besin katyonları (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) ile asit katyonları (H⁺, Al³⁺) tarafından işgal edilen KDK yüzdesi olan ve toprak asitliğini ve verimliliğini etkileyen baz doygunluğu yer alır.^[3] Genel olarak, KDK’nın anlaşılması, kaynak kullanımını optimize ederek ve besin akışından kaynaklanan çevresel etkileri en aza indirerek sürdürülebilir tarıma yardımcı olur.^[1]

Temel Bilgiler

Tanım

Katyon değişim kapasitesi (KDK), bir toprağın veya başka bir malzemenin tutabileceği toplam değiştirilebilir katyon sayısı olarak tanımlanır ve toprağın kalsiyum, magnezyum, potasyum ve sodyum gibi pozitif yüklü iyonları negatif yüklü yüzeylerinde adsorbe etme ve tutma yeteneğini temsil eder.^[1] Bu kapasite, öncelikle katyon adsorpsiyonu için gerekli negatif yükleri sağlayan kil minerallerinden ve organik maddeden kaynaklanır.^[2]

KDK tipik olarak 100 gram toprak başına milieşdeğer (meq/100 g) birimiyle ifade edilir; bu, değiştirilebilir katyonlarla dengelenebilen yük miktarını ölçer.^[3] Eşdeğer bir birim kilogram başına santimol yüktür (cmol/kg) ve 1 meq/100 g = 1 cmol/kg olduğundan ikisi sayısal olarak aynıdır, bu da aralarında doğrudan dönüşümleri kolaylaştırır.^[4]

Toprağın doğal pH’ında değiştirilebilir katyonları niceleyen efektif KDK (ECEC) ile asidik topraklarda alüminyum ve hidrojen iyonlarının bölgeleri işgal ettiği tamponlanmış bir pH’da (genellikle 7.0) aktif hale gelen bölgeler dahil olmak üzere toplam kapasiteyi tahmin eden potansiyel KDK arasında önemli bir ayrım vardır.^[5] ECEC, pH ayarı yapılmadan saha koşullarını yansıttığı için değişken yüklü topraklarda genellikle potansiyel KDK’dan daha düşük değerler verir.^[6]

KDK terimi, 20. yüzyılın başlarında toprak verimliliği çalışmaları arasında ortaya çıkmış, 1920’lerde ve 1930’larda kil mineralleri ve besin tutulumu üzerine deneysel araştırmalarla topraklarda iyon değişiminin anlaşılmasını ilerleten Walter P. Kelley ve Hans Jenny gibi bilim insanlarının öncü çalışmalarıyla şekillenmiştir.^[7] Kelley’nin kristal kil yapıları üzerine 1931’deki çalışmaları da dahil olmak üzere katkıları, kavramın tarımsal verimlilik bağlamında resmileşmesine yardımcı olmuştur.^[7]

Altta Yatan İlkeler

Katyon değişimini sağlayan toprak kolloidleri üzerindeki negatif yüzey yükleri, temel olarak iki mekanizmadan kaynaklanır: mineral yapıları içindeki izomorf ikame nedeniyle kalıcı yükler ve fonksiyonel gruplardan hidrojen iyonlarının ayrışması sonucu oluşan pH’a bağlı yükler. İzomorf ikame, filosilikatların tetrahedral tabakasında silikonun (Si⁴⁺) yerine alüminyumun (Al³⁺) geçmesi gibi kristal kafesinde daha yüksek değerlikli katyonların daha düşük değerlikli olanlarla değiştirilmesini içerir ve toprak pH’ından bağımsız olarak sabit kalan net bir negatif yük oluşturur.^[8]^[9] Buna karşılık, değişken yükler, humus gibi organik maddelerdeki yüzey fonksiyonel gruplarından, özellikle karboksil (-COOH) gruplarından H⁺ ayrışmasından kaynaklanır; bunlar proton vererek -COO⁻ oluşturur ve organik kolloidlerce zengin topraklarda yüke önemli ölçüde katkıda bulunur.^[8] Bu yükler, elektrostatik kuvvetler yoluyla toprak çözeltisinden katyonları çeker ve tutar, böylece değiştirilebilir besin depolamanın temelini oluşturur.

Katyon değişim süreci, negatif yüklü toprak yüzeyleri ile toprak çözeltisindeki pozitif yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik çekim tarafından yönlendirilen tersinir bir reaksiyondur. Genel denklemle şu şekilde gösterilebilir:

$$ \text{Toprak-X}^- + \text{M}^+ \rightleftharpoons \text{Toprak-M} + \text{X}^- $$

Burada Toprak-X⁻, adsorbe edilmiş bir karşı iyon X⁻ ile toprak kolloidini belirtir ve M⁺, çözeltiden gelen ve X⁻’nin yerini alan Ca²⁺ veya K⁺ gibi bir katyondur.^[10] Bu denge, rakip iyonların konsantrasyonları değiştiğinde katyonların tekrar çözeltiye salınabilmesi sayesinde dinamik besin mevcudiyetine izin verir ve belirli katmanlar arası reaksiyonlarla sabitlenmediği sürece tipik toprak koşulları altında tersinirliği sağlar.^[11]

Değişim reaksiyonlarında katyon seçiciliği, iyonların yük yoğunluğu ve hidrasyon enerjisi tarafından belirlenen belirli bir sırayı izler; daha büyük yük/yarıçap oranlarına ve daha düşük hidrasyon kabuklarına sahip katyonlar için daha yüksek seçicilik vardır, bu da negatif yüklü yüzeye daha yakın yaklaşmaya izin verir. Yaygın toprak katyonları için tipik bir sıra Al³⁺ > H⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > Na⁺ şeklindedir; burada üç değerlikli Al³⁺, yüksek yük yoğunluğu nedeniyle tercihen adsorbe edilirken, tek değerlikli Na⁺, daha büyük hidratlı yarıçapı ve daha yüksek hidrasyon enerjisi nedeniyle daha kolay yer değiştirir.^[12] Bu seçicilik, Ca²⁺ gibi çok değerlikli katyonların K⁺ gibi tek değerlikli olanlardan daha güçlü bağlanması nedeniyle besin rekabetini ve toprak verimliliğini etkiler.^[13]

Yüklü toprak yüzeylerinin yakınındaki iyonların dağılımı, katyonların negatif yükü dengelemek için kolloid yüzeyine bitişik dağınık bir bölgede biriktiği ve konsantrasyonun yüzeyden uzaklaştıkça üstel olarak azaldığı dağınık çift katman (DDL) modeli ile açıklanır. Gouy-Chapman teorisi, yüzey yük yoğunluğu, elektrolit konsantrasyonu ve iyonik değerlik ile ilgili denklemler yoluyla DDL’deki elektriksel potansiyel ve iyon konsantrasyon profillerini niceleyerek bu model için teorik temeli sağlar ve çevresel faktörlerin değişim dinamiklerini nasıl modüle ettiğini açıklar.^[14]^[15] Bu çerçeve, yüzeye yakın değiştirilebilir katyon rezervuarını koruyarak tersinir değişimi kolaylaştırmada DDL’nin rolünü vurgular.^[16]

Bağlamsal Faktörler

Toprak Özellikleri ile İlişki

Toprağın katyon değişim kapasitesi (KDK), değişim bölgelerinin mevcudiyetini modüle eden ve besin tutulumu ile toprak verimliliğini etkileyen pH ve doku gibi doğal özellikleriyle yakından ilişkilidir. Düşük toprak pH seviyelerinde (genellikle 5,5’in altında), hidrojen iyonları (H⁺) ve alüminyum iyonları (Al³⁺) değişim bölgelerine hakim olur, KDK’nın önemli bir kısmını işgal eder ve böylece kalsiyum, magnezyum ve potasyum gibi temel besin katyonları için etkili kapasiteyi azaltır.^[5] Asit katyonları tarafından yapılan bu işgal, besin mevcudiyetini sınırlar ve toprak verimsizliğini şiddetlendirebilir. Tersine, toprak pH’ı nötr veya hafif alkali koşullara (yaklaşık 6,5–7,5) doğru arttıkça, organik madde ve hidroksil gruplarına sahip belirli kil mineralleri üzerindeki değişken yük bölgelerinin protondan arınması (deprotonasyon) nedeniyle efektif KDK yükselir ve katyon adsorpsiyonu için ek negatif yükler üretir.^[17]

Toprak dokusu, parçacık yüzey alanı ve mineral bileşimindeki farklılıklar yoluyla KDK’yı derinden etkiler. Kilce zengin topraklar, özellikle montmorillonit gibi 2:1 filosilikat killerinin hakim olduğu topraklar, geniş kafes yapıları ve çok sayıda kalıcı negatif yük sağlayan geniş yüzey alanlarına atfedilen 20 ila 150 cmol/kg arasında değişen yüksek KDK değerleri sergiler.^[18] Buna karşılık, düşük kil içeriğine ve minimum yüzey alanına sahip kumlu topraklar, tipik olarak 5 cmol/kg’ın altında KDK değerlerine sahiptir, bu da zayıf besin tutma kapasitesi ve artan yıkanma riskleri ile sonuçlanır.^[3] Organik madde, KDK’yı mineral bileşenlerin tek başına başarabileceğinin ötesinde artırır; toprak organik maddesinin kararlı fraksiyonu olan humus, malzeme birimi başına 200–400 cmol/kg değişim kapasitesine katkıda bulunur, genellikle killerden gelen KDK’yı birkaç kat aşar ve dokulu topraklarda genel toprak verimliliğini artırır.^[19]

KDK ayrıca, asitlenmeye karşı toprak tamponlama kapasitesinde çok önemli bir rol oynar; daha yüksek KDK değerleri, toprakların asit katyonlarını baz katyonlarla değiştirerek pH değişikliklerine direnmesini sağlar, böylece zamanla toprak çözeltisi kimyasını dengeler.^[20] Bu tamponlama, özellikle kil veya organik madde içeriği yüksek topraklarda belirgindir; burada değişim süreci, asit yağmuru veya gübre uygulamalarının etkilerini hafifleterek bitki büyümesi için daha tutarlı bir ortam sağlar.^[21] Toplam KDK’ya göre baz katyonlarının oranı (baz doygunluğu olarak bilinir), bu tamponlama potansiyelinin nicel bir göstergesini sağlar ve %50’nin üzerindeki değerler genellikle asitlenmeye karşı daha büyük dirençle ilişkilendirilir.^[1]

KDK Üzerindeki Etkiler

İklim koşulları, toprak organik maddesi birikimi ve mineral gelişimi üzerindeki etkileri yoluyla katyon değişim kapasitesini (KDK) önemli ölçüde etkiler. Daha yağışlı iklimlerde, daha yüksek yağış ve daha serin sıcaklıklar, değişken yük bölgelerine önemli ölçüde katkıda bulunan ve KDK’yı yükselten daha fazla organik madde birikimini teşvik eder.^[22] Tersine, kurak koşullar organik madde ayrışmasını ve birikimini sınırlar, bu da daha düşük KDK değerlerine neden olurken, aynı zamanda yüksek tuz konsantrasyonları nedeniyle genellikle azaltılmış efektif besin tutulumu sergileyen tuzlu toprakların oluşumunu da destekler.^[22]^[23]

Arazi kullanım uygulamaları, özellikle tarımsal yönetim, organik madde seviyelerini ve toprak yapısını etkileyerek KDK’yı belirgin şekilde değiştirebilir. Geleneksel toprak işleme, organik madde ayrışmasını hızlandırır ve toprağı erozyona maruz bırakır, ormanlar veya otlaklar gibi bozulmamış sistemlere kıyasla %20-50 oranında KDK azalmalarına yol açar.^[24] Asidik topraklara yaygın olarak uygulanan kireçleme, pH’ı yükseltir ve hidrojen ve alüminyum iyonlarını değişim bölgelerinden uzaklaştırarak efektif KDK’yı artırır ve baz katyon mevcudiyetini iyileştirir.^[25]

Toprak mineralojisi, kil tipinin kalıcı negatif yüklerin yoğunluğunu belirlemesiyle, içsel KDK üzerinde birincil bir kontrol uygular. Smektitler gibi 2:1 killerin hakim olduğu topraklar, genişleyen katmanlar arası yapıları ve izomorf ikameleri nedeniyle 80 ila 150 cmol/kg arasında değişen yüksek KDK değerleri sergiler.^[26] Buna karşılık, kaolinit gibi 1:1 killer, daha az yük bölgesi ve genişlemeyen bir yapı ile sınırlı olduğundan 3 ila 15 cmol/kg arasında daha düşük KDK’ya sahiptir ve bu durum ayrışmış, tropikal topraklarda daha yaygındır.^[26]

Antropojenik girdiler, özellikle gübreler, KDK dinamiklerinde kısa ve uzun vadeli değişimler getirir. Amonyum bazlı gübreler, toprak kolloidlerinde değiştirilebilir amonyum seviyelerini geçici olarak artırır, toplam KDK’yı değiştirmeden değişim bölgelerini işgal eder. Ancak, tekrarlanan kullanım, nitrifikasyon yoluyla toprak asitlenmesine yol açar; bu da alüminyum mobilizasyonunu teşvik ederek ve organik madde ile oksitlerden gelen değişken yük katkılarını azaltarak genel KDK’yı düşürür.^[27]^[28]

Ölçüm Yöntemleri

Laboratuvar Teknikleri

Topraklarda katyon değişim kapasitesini (KDK) nicelemek için kullanılan laboratuvar teknikleri, değişim bölgelerini bilinen bir katyonla doyuran ve yer değiştiren iyonları ölçen, standart koşullar altında kesin değerler sağlayan kontrollü ekstraksiyonları içerir. Bu yöntemler toprak verimliliği değerlendirmeleri için gereklidir ve tekrarlanabilirliği sağlamak için toprağın havada kurutulması ve 2 mm’den küçük olacak şekilde elenmesi gibi dikkatli numune hazırlığı gerektirir.^[29]

pH 7’de amonyum asetat yöntemi, potansiyel KDK’yı belirlemek için yaygın olarak benimsenen bir standarttır; burada toprak, tüm değişim bölgelerini işgal etmek için önce amonyum iyonları (NH₄⁺) ile doyurulur. Tipik olarak, 5–10 g toprak, bir şişe veya tüpte 1 N amonyum asetat (pH 7.0) ile karıştırılır, 15–30 dakika çalkalanır ve çıkış suyunda daha fazla katyon (örneğin kalsiyum) tespit edilmeyene kadar birçok kez yıkanır, böylece tam doygunluk sağlanır. Toprak daha sonra fazla tuzları gidermek için etanol ile yıkanır, ardından adsorbe edilen NH₄⁺, 1 N potasyum klorür (KCl) veya %10 sodyum klorür (NaCl) kullanılarak yer değiştirilir ve yer değiştiren amonyum süzüntülerde toplanır. NH₄⁺ miktarı, sodyum hidroksit (NaOH) ile bir borik asit tuzağına buhar damıtma, ardından karışık bir indikatör kullanılarak 0.01 N hidroklorik asit (HCl) veya sülfürik asit (H₂SO₄) ile titrasyon yoluyla veya alternatif olarak spektrofotometrik analiz için indofenol mavisi reaksiyonu gibi kolorimetrik yöntemlerle nicelendirilir. Bu yöntem, tamponlamanın gizli yük bölgelerini ortaya çıkarması nedeniyle toplam potansiyel KDK’yı tahmin etmek için nötr bir pH varsayar.^[30]^[29]

Mehlich III ekstraktantı kullanan zorunlu değişim yöntemi, özellikle pH’a bağlı yüklerin baskın olduğu asidik topraklarda değiştirilebilir katyonların doğrudan ölçümü için bir alternatif sunar. 0.2 N asetik asit, 0.25 N amonyum nitrat, 0.015 N amonyum florür, 0.013 N nitrik asit ve 0.001 N etilendiamintetraasetik asitten (EDTA) oluşan Mehlich III çözeltisi, baz katyonlarını (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) önceden doyurma olmaksızın değişim bölgelerinden zorla çıkarmak için bir şelatlayıcı ajan olarak etki eder. Prosedürde, 2–5 g toprak, mekanik bir çalkalayıcıda 5 dakika boyunca 20–30 mL ekstraktant ile çalkalanır, santrifüjlenir veya filtrelenir ve süpernatant, atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) veya indüktif olarak eşleşmiş plazma optik emisyon spektrometrisi (ICP-OES) yoluyla katyon konsantrasyonları için analiz edilir; KDK, bu ekstrakte edilebilir katyonların toplamı olarak hesaplanır. Bu yaklaşım, ekstraktantın bileşimi tamponlama yoluyla yükü yapay olarak artırmadan pH ile ilgili değiştirilebilir iyonları hedeflediğinden asidik topraklar (pH < 6,5) için uygundur.^[31]^[32]

pH 7’deki amonyum asetat gibi indeks yöntemlerinin, özellikle oksitlerin veya 1:1 killerin (örneğin kaolinit) baskın olduğu değişken yüklü topraklarda sınırlamaları vardır; burada nötr pH tamponlaması ek negatif yük indükleyerek, gerçek saha koşullarına kıyasla efektif KDK’nın olduğundan fazla tahmin edilmesine yol açar. Asidik topraklarda (pH < 5,5), organik madde ve demir/alüminyum oksitlerden gelen değişken yüklerin daha yüksek pH’da daha fazla negatif bölge geliştirmesi nedeniyle bu aşırı tahmin oluşurken, kalkerli veya jipsli topraklarda, rakip Ca²⁺ veya jips çözünmesi nedeniyle eksik NH₄⁺ doygunluğu yüzünden KDK hafife alınır. Organik madde, pH’a bağlı yüklere katkıda bulunarak müdahale edebilir ve yüksek organik topraklarda (>%5) doğruluk için düzeltme faktörleri (örneğin tahmini organik KDK’nın çıkarılması) gerektirebilir. Ek olarak, NH₄⁺’nın vermikülit veya mika killerinin ara katmanlarında sabitlenmesi ölçülebilir değişimi azaltır ve bu tür mineraller için baryum klorür gibi alternatif yöntemleri gerektirir.^[30]^[29]^[33]

Bu teknikler için temel ekipmanlar arasında ekstraksiyon için mekanik çalkalayıcılar veya uçtan uca döndürücüler, ayırma için santrifüjler veya vakum filtrasyon kurulumları (örneğin Buchner hunileri) ve ±0,1 cmol/kg KDK hassasiyeti elde etmek için 0,1 mg/L’nin altındaki algılama limitlerine sahip AAS veya ICP-OES gibi analitik cihazlar bulunur. Amonyum asetat yönteminde NH₄⁺ miktar tayini için, Kjeldahl şişeleri ve büretleri (0,02 mL hassasiyet) olan buhar damıtma üniteleri standarttır; spektrofotometreler (örneğin kolorimetri için 630 nm’de) ise yüksek verimli laboratuvarlarda hızlı analizi destekler. Standartlarla kalibrasyon, toprak tipleri arasında doğruluğu sağlar.^[30]^[34]

Tahmin Yaklaşımları

Pedotransfer fonksiyonları (PTF’ler), kolayca bulunabilen toprak özelliklerinden katyon değişim kapasitesini (KDK) tahmin etmek için ampirik modeller sağlar ve tam laboratuvar analizi gerektirmeden saha çalışmalarında veya büyük ölçekli araştırmalarda hızlı değerlendirmelere olanak tanır. Bu fonksiyonlar genellikle toprak dokusunu (örneğin kil içeriği), organik madde (OM) veya organik karbon (OC) içeriğini ve pH’ı temel belirleyiciler olarak içerir, çünkü bu faktörler toprak kolloidlerindeki değişim bölgelerinin sayısını güçlü bir şekilde etkiler. Örneğin, Danimarka gibi ılıman bölgelerde PTF’ler, KDK’yı kil ve OM katkılarıyla ilişkilendirir; ortalama kil-KDK değerleri 48–53 cmol_c kg⁻¹ ve OM-KDK değerleri 284–291 cmol_c kg⁻¹ olup, düşük killi topraklarda organik maddenin baskın rolünü vurgular. Kuzeybatı Kamerun’dakiler gibi çok ayrışmış tropikal topraklarda, OC, kil yüzdesi ve pH kullanan doğrusal ve doğrusal olmayan regresyonlar, toprak horizonları veya referans grupları (örneğin Acrisols, Ferralsols) tarafından tabakalandırıldığında güvenilir tahminler verir; OC, düşük aktiviteli killere karşı tamponlaması nedeniyle birincil sürücü olarak ortaya çıkar.^[35]^[36]

PTF’lerin pratik bir varyantı, özellikle tarımsal ortamlarda etkili olan KDK’yı tahmin etmek için toprak test katyonlarını (STCat: Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ toplamı), pH’ı ve toprak organik karbonunu (SOC) entegre eder. Finlandiya toprakları üzerindeki çalışmalar, bu girdilerin KDK varyasyonunun %96’sını açıkladığını, ortalama değerlerin kaba dokulu topraklarda 14 cmol_c kg⁻¹ ile ağır killerde 33 cmol_c kg⁻¹ arasında değiştiğini ve organik bakımından zengin profillerde (42–77 cmol_c kg⁻¹) daha yüksek olduğunu göstermektedir. Bu yaklaşım, rutin toprak testi verilerine dayanması, değişken topraklarda pH’a bağlı yükü hesaba katarken sahaya özgü tahminleri kolaylaştırması nedeniyle avantajlıdır.^[37]

Değiştirilebilir katyonlar toplamı yöntemi, amonyum asetat yoluyla ekstrakte edilen baz katyonların (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) konsantrasyonlarının artı BaCl₂-trietanolamin ekstraksiyonu kullanılarak belirlenen değiştirilebilir asiditenin (H⁺ ve Al³⁺) toplanmasıyla nicelendirilerek efektif KDK (ECEC) için doğrudan bir vekil sunar. Bu toplama, doğal toprak pH koşulları altındaki toplam yükü yaklaşık olarak tahmin eder ve bu da onu, geleneksel KDK’nın kapasiteyi olduğundan fazla tahmin ettiği asidik veya değişken yüklü topraklarda yerinde (in situ) değerlendirmeler için uygun hale getirir. Toprak testi laboratuvarlarında yaygın olarak benimsenen bu yöntem, besin tutma potansiyeli ile yakından ilişkili ECEC değerleri sağlar, ancak düşük pH’lı ortamlarda asiditenin hafife alınmasını önlemek için dikkatli ekstraksiyon gerektirir.^[38]^[4]^[39]

Uzaktan algılama vekilleri, kil mineralleri ve organik madde ile bağlantılı spektral yansımayı yakalayan orta kızılötesi (MIR) spektroskopisi gibi teknikler aracılığıyla KDK tahminini peyzaj ölçeklerine genişleterek, yüksek verimle tahribatsız tahminlere olanak tanır. Örneğin, MIR analizi, çeşitli topraklarda doku ve besin özelliklerinin yanı sıra KDK’yı başarıyla nicelleştirmiş ve bölgesel haritalama için hızlı kalibrasyon sunmuştur. Tamamlayıcı olarak, CBS tabanlı kil haritalama, kil içeriği değişim bölgeleriyle güçlü bir şekilde ilişkili olduğundan KDK sonucunu çıkarmak için uydu verilerini (örneğin Landsat) ve arazi özelliklerini kullanır; makine öğrenimi entegrasyonları, yarı kurak veya tropikal manzaralarda etkili tahminler elde eder. Bu yöntemler laboratuvar verilerine karşı doğrulanır ve hassas tarımda ölçeklenebilir uygulamaları destekler.^[40]^[41]^[42]

Doğrulama çalışmaları bu yaklaşımların faydasını doğrulamaktadır; PTF’ler, kil ve OM’nin yüke hakim olduğu yerlerde güçlü performansı yansıtan tınlı ılıman topraklarda 0,70–0,90 R² değerlerine ulaşmaktadır. Bununla birlikte, değişken mineraloji, düşük hacim ağırlığı (<0,72 Mg m⁻³) ve baskın oksit etkileri nedeniyle hataların arttığı çok ayrışmış tropikal topraklarda (örneğin Oxisols, Ultisols) doğruluk düşer ve sapmaları azaltmak için genellikle toprağa özgü kalibrasyonlar gerekir. Toplama yöntemleri ve uzaktan vekiller benzer şekilde kalibre edilmiş ayarlarda laboratuvar ECEC ile %80–95 uyum göstererek, yaklaşık, saha odaklı değerlendirmeler için değerlerinin altını çizer.^[43]^[44]^[33]

Nicel Değerlendirme

Tipik Değerler

Katyon değişim kapasitesi (KDK), mineraloji, ayrışma yoğunluğu ve organik madde içeriğindeki farklılıkları yansıtacak şekilde toprak takımları (orders) arasında büyük ölçüde değişir. Genellikle yüksek baz doygunluğuna sahip otlak bölgelerinde bulunan Mollisoller, zengin organik katmanlarına ve besin tutulumunu artıran smektitik killerine atfedilen 25 ila 50 cmol/kg arasında değişen KDK değerleri sergiler.^[45] Buna karşılık, çok ayrışmış tropikal ortamlarda yaygın olan Oxisols, düşük aktiviteli kaolinitik killerin ve demir oksitlerin hakimiyeti nedeniyle 5 ila 15 cmol/kg gibi düşük KDK gösterir ve değiştirilebilir katyonları tutma yeteneklerini sınırlar.^[46] Smektit ağırlıklı killer ve büzülme-şişme davranışı ile karakterize edilen Vertisoller, kilce zengin profillerde yüksek verimliliği destekleyen 20 ila 60 cmol/kg’lık yüksek KDK seviyeleri gösterir.^[46]

Küresel olarak, ekilebilir üst topraklar ortalama 15 ila 25 cmol/kg’dır; bu durum, genellikle organik maddeyi tüketen ve daha düşük KDK’lı alt toprakları açığa çıkaran ekim uygulamalarından etkilenir.^[47] Yaprak döküntüsü gibi sürekli organik girdilerden yararlanan orman toprakları, tipik olarak 20 ila 50 cmol/kg gibi daha yüksek aralıklardadır ve daha fazla katyon tamponlaması ve besin döngüsünü teşvik eder.^[48]

Toprak dışı bağlamlarda, su arıtımında kullanılan zeolitler gibi malzemeler, kirletici giderimi için iyon değişimini kolaylaştıran alüminosilikat çerçevelerinden kaynaklanan 100 ila 300 cmol/kg KDK değerleri gösterir.^[49] Bahçecilik ortamlarında kullanılan turba, organik yapısındaki bol miktarda değişim bölgesi sağlayan karboksil ve fenolik gruplar nedeniyle büyük ölçüde 200 cmol/kg’ı aşabilir.^[10]

Yoğun şekilde işlenen topraklar genellikle azalan KDK yaşar; erozyon, organik bakımından zengin üst toprağı kaldırarak ve mineralce fakir katmanları açığa çıkararak on yıllar içinde %10 ila 20 kayıplara katkıda bulunur.^[50]

Baz Doygunluğu

Baz doygunluğu, bir toprağın katyon değişim kapasitesinin (KDK), hidrojen (H⁺) ve alüminyum (Al³⁺) gibi asidik katyonların aksine kalsiyum (Ca²⁺), magnezyum (Mg²⁺), potasyum (K⁺) ve sodyum (Na⁺) gibi bazik katyonlar tarafından işgal edilen oranını ifade eder. Şu formül kullanılarak hesaplanır:

$$ \text{Baz Doygunluğu (\%)} = \left( \frac{\sum \text{baz katyonlar (meq/100 g toprak)}}{\text{KDK (meq/100 g toprak)}} \right) \times 100 $$

Burada baz katyonların toplamı, topraktan ekstrakte edilen değiştirilebilir Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ ve Na⁺ miktarlarını temsil eder.^[3]^[51] Bu metrik, toprak asitliği ve besin mevcudiyeti hakkında fikir verir; çünkü daha yüksek baz doygunluğu, besin sağlayan katyonlar tarafından daha fazla işgal ve potansiyel olarak toksik asidik olanların daha az baskınlığı anlamına gelir.^[18]

Verimli tarım topraklarında baz doygunluğu tipik olarak %80 ile %100 arasında değişir; bu, optimum pH seviyelerini (yaklaşık 6,5–6,8) korumaya yardımcı olur ve kök gelişimini ve besin alımını engelleyebilecek alüminyum toksisitesini en aza indirir.^[52]^[53] Tersine, pH’ı 5,0–5,5 civarında olan asidik alt topraklarda yaygın olan %50’nin altındaki düşük baz doygunluğu, kök büyümesini kısıtlayan ve su ile besin emilimini bozarak mahsul verimliliğini sınırlayan yüksek Al³⁺ konsantrasyonları ile ilişkilidir.^[54]^[55] Yüksek baz doygunluğunun sürdürülmesi bu nedenle toprak verimliliği için kritiktir, çünkü asitlikle ilgili stresleri bastırırken temel bazların mevcudiyetini artırır.^[18]

Baz doygunluğu, genellikle amonyum asetat veya baryum klorür çözeltileri kullanılarak ve ardından atomik absorpsiyon spektroskopisi ile nicelendirme yapılarak topraktan ekstrakte edilen değiştirilebilir katyonların analizi yoluyla KDK ölçümünden sonra dolaylı olarak belirlenir.^[56]^[57] Bu yaklaşım, KDK’ya bireysel ve toplam baz katyon katkılarının hesaplanmasına olanak tanır. Tarihsel olarak bu kavram, Justus von Liebig’in 19. yüzyıldaki minimum yasasından esinlenmiştir; bu yasa, bitki büyümesinin en kıt temel besin maddesi tarafından sınırlandığını vurgulayarak katyon dengeleri üzerine erken toprak verimliliği çalışmalarını etkilemiştir.^[58] Bu kavram, 1940’larda ABD Tarım Bakanlığı (USDA) toprak araştırmaları ve verimliliği optimize etmek ve ekili topraklardaki besin dengesizliklerini azaltmak için ideal baz doygunluk oranları öneren Firman E. Bear gibi araştırmacıların deneyleriyle daha da geliştirilmiştir.^[59]

İlgili Değişim Süreçleri

Anyon Değişim Kapasitesi

Anyon değişim kapasitesi (ADK), toprağın nitrat (NO₃⁻) ve fosfat (PO₄³⁻) gibi anyonları toprak parçacıkları üzerindeki pozitif yüklü bölgeler aracılığıyla adsorbe etme ve tutma yeteneğini ifade eder ve kilogram başına santimol yük (cmol_c/kg) cinsinden toplam değiştirilebilir anyonların toplamı olarak nicelendirilir.^[60] Bu kapasite çoğu toprakta tipik olarak düşüktür, 0,1 ila 5 cmol_c/kg arasında değişir, ancak demir ve alüminyum oksitlerin ve kaolinitin varlığı nedeniyle Oxisols gibi değişken yüklü topraklarda daha belirgin hale gelir.^[61]

ADK’nın altında yatan birincil mekanizmalar, özellikle Fe ve Al oksitlerindeki hidroksil gruplarının (-OH) ve kaolinit kil minerallerinin kenarlarındaki protonlanma yoluyla toprak yüzeylerinde oluşturulan pH’a bağlı pozitif yükleri içerir. Düşük pH değerlerinde (tipik olarak 5’in altında), bu yüzeyler net bir pozitif yük kazanarak anyonların elektrostatik çekimini sağlar; pH arttıkça deprotonasyon bu pozitif yükü azaltır ve ADK azalır.^[62] Kaolinit, daha büyük pozitif yük yoğunluğu nedeniyle eşdeğer pH seviyelerinde montmorillonit gibi diğer killerden daha yüksek anyon adsorpsiyonu sergiler.

Kalıcı negatif yükler nedeniyle çoğu toprakta baskın olan katyon değişim kapasitesinin (KDK) aksine, ADK genellikle çok daha düşüktür ancak ADK:KDK oranının 0,2’yi aşabildiği Oxisols ve Ultisols gibi çok ayrışmış, asidik tropikal topraklarda daha büyük bir göreceli önem kazanır; bu da anyon tutulumunu katyon tutmaya tercih eden net pozitif yüzey yüklerine neden olur.^[63] Bu değişim, bazik katyonların artan yıkanması ve anyonların potansiyel birikimi veya fiksasyonu gibi zorluklara katkıda bulunurken, yüksek kalıcı negatif yüklere sahip 2:1 killerin hakim olduğu ılıman topraklarda ADK ihmal edilebilir düzeydedir.^[64]

ADK, besin yönetiminde kilit bir rol oynar; özellikle fosfat iyonlarını (H₂PO₄⁻ ve HPO₄²⁻) oksit yüzeylerinde güçlü bir şekilde adsorbe ederek fosfor fiksasyonunu etkiler ve tropikal ortamlarda bitkiler için fosfor mevcudiyetini azaltır.^[65] ADK ölçümü KDK ile benzer ilkeleri izler ancak toprağın klorür (Cl⁻) gibi bir indeks anyonla doyurulmasını ve ardından yer değiştirme ve nicelleştirmeyi (genellikle adsorbe edilen anyon miktarlarını değerlendirmek için titrasyon veya ekstraksiyon yoluyla) içerir.

Değişebilir Katyonlar

Değişebilir katyonlar, kil mineralleri ve organik madde gibi toprak kolloidlerinin negatif yüklü yüzeylerinde tutulan pozitif yüklü iyonlardır ve katyon değişim kapasitesi (KDK) çerçevesinde toprak verimliliği ve bitki beslenmesinde merkezi bir rol oynarlar. Birincil değişebilir katyonlar arasında kalsiyum (Ca²⁺), magnezyum (Mg²⁺), potasyum (K⁺) ve sodyum (Na⁺) bulunur; bunlar toprak tipine ve yönetimine bağlı olarak KDK’nın değişen oranlarını işgal eder. Verimli topraklarda Ca²⁺ tipik olarak baz doygunluğunun %40-70’ini oluşturur, agregasyonu teşvik ederek ve gözenekliliği iyileştirerek toprak yapısını geliştiren, erozyonu azaltan ve kök penetrasyonunu kolaylaştıran baskın katyon olarak hizmet eder.^[66]^[67] Mg²⁺ bu tür topraklarda %5-15 oranında bulunur, bitkilerde fotosentezi ve enzim aktivasyonunu desteklemek için klorofilin kilit bir bileşeni olarak hareket eder.^[66]^[67] K⁺ %1-5 oranında yer kaplar, bitki osmoregülasyonu, su alım verimliliği ve hastalık direnci için gereklidir.^[66]^[67] Buna karşılık, Na⁺ genellikle sodik olmayan topraklarda minimaldir (<%5), ancak aşırı olduğunda zararlı hale gelir, kil dağılmasını teşvik ederek toprak yapısını bozar ve geçirgenliği azaltır.^[1]^[68]

Değişebilir katyonların dinamikleri, katyonların konsantrasyonlarına ve afinitelerine dayalı olarak değişim bölgeleri için rekabet ettiği kütle etkisi ilkeleriyle yönetilir; çözeltideki bir katyonun daha yüksek konsantrasyonları, sorbe edilmiş iyonların yerini alarak salınmayı ve bitkiler tarafından alımı kolaylaştırabilir.^[4] Bu tersinir süreç, düzenli bir besin kaynağı sağlar ancak toprak pH’ından etkilenir; asidik koşullar baz katyonlarının H⁺ veya Al³⁺ ile yer değiştirmesini destekler.^[4] Bununla birlikte, K⁺ gibi belirli katyonlar, illit ve smektit gibi 2:1 kil minerallerinde fiksasyon riskleriyle karşı karşıyadır; burada iyon kuruma üzerine katmanlar arası boşluklarda hapsolur ve mevcudiyetini azaltır; bu fiksasyon ıslatma ile kısmen tersinirdir ancak kilce zengin topraklarda bitki erişimini sınırlayabilir.^[69]

Değişebilir katyonlar için eksiklik ve toksisite eşikleri, toprak sağlığını değerlendirmek için kritiktir. Örneğin, 2 cmol/kg’ın altındaki değişebilir Ca²⁺ seviyeleri genellikle eksikliklere yol açar, kök büyümesini bozar ve mahsullerde çiçek burnu çürüklüğü gibi bozukluklara neden olur.^[70] Asidik bir katyon olan Al³⁺, doygunluğu KDK’nın %15’ini aştığında toksik hale gelir, hassas bitkilerde kök uzamasını ve besin alımını engeller.^[71]

Değişebilir katyonların analitik tayini, toprak değişim bölgelerinden katyonları yerinden çıkarmak için pH 7’de 1 M amonyum asetat (NH₄OAc) ile ekstraksiyonu, ardından doğru çoklu element profili oluşturma için indüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi (ICP-MS) kullanılarak nicelendirmeyi içerir.^[72] Bu yöntem, cmol/kg cinsinden bitkiye yarayışlı katyon tahminleri sağlayarak gübreleme uygulamalarına rehberlik eder.^[72]