Die Kationenaustauschkapazität (KAK) ist ein Maß für die Zahl an negativen Bindungsplätzen der Ton- und Humuspartikel des Bodens. Mitteleuropäische Ackerstandorte können eine Austauschkapazität zwischen 2 und 40 cmol/kg Boden aufweisen. In Einzelfällen werden auch Böden – meist humose, tonige Böden – mit noch höherer Austauschkapazität ackerbaulich genutzt. Diese waren früher überwiegend Grünlandstandorte.

Die Untersuchung der KAK kann die Anzahl der Kationenbindungsstellen im Boden bestimmen und den Anteil der einzelnen Kationen an den Bindungsstellen erfassen. Diese Spezialuntersuchung geht weiter als die Standardanalysen. Die effektive Kationenaustauschkapazität (KAKeff) gibt die Summe der an Bodenkolloide gebundenen Kationen wieder. In neutralen bis schwach sauren Böden dominieren Kalzium (Ca), Magnesium (Mg), Kalium (K) und Natrium (Na). In sauren Böden besetzen mit abnehmendem pH-Wert zunehmend Wasserstoff (H), Aluminium (Al) und Eisen (Fe) die Bindungsstellen.

Kationenaustausch- und Speicherkapazität des Bodens

Je höher die KAK, desto mehr Kationen kann der Boden speichern. Mit steigender KAK werden deshalb weniger positiv geladene Nährstoffe in tiefere Schichten ein- oder gar ausgewaschen. Je höher die KAK, umso schwieriger ist es aber auch für die Pflanze, an Kationen zu gelangen. Mit steigender KAK muss deshalb auch eine höhere Kationenkonzentration im Boden einhergehen.

Böden mit geringer KAK können schnell mit Kationen aufgedüngt werden: Im Umkehrschluss geraten sie aber schnell wieder ins Defizit, wenn mehr entzogen als gedüngt wird. Dagegen können Böden mit hoher KAK lange vom Kationenvorrat zehren. Sind sie aber einmal ausgelaugt, ist das Optimum nur mit hohem Aufwand wiederherzustellen. Auf Böden mit hoher KAK sind in jedem Fall höhere Düngergaben erforderlich.

Weil sich die Wurzelzone nicht nur auf die Krume beschränkt, ist für die Nährstoffdynamik auch die KAK unterhalb der Krume entscheidend. In der Regel ist sie in der Krume infolge des dort meist höheren Humusgehaltes am höchsten. In Einzelfällen kann sie aber im Bt-Horizont einer Parabraunerde aufgrund des dort hohen Tongehalts ansteigen. Darunter nimmt die KAK dann fast immer stark ab.

Humus bindet mehr Kationen als Ton

Gut zersetzte organische Substanz besitzt eine höhere KAK als Tonminerale. Humus kann vier- bis fünfmal so viele Kationen binden wie Ton. Eine Besonderheit der organischen Austauscher ist die pH-Abhängigkeit. Je geringer der pH-Wert des Bodens, umso geringer ist auch die KAK der organischen Substanz. Dagegen können organische Austauscher bei pH-Werten unter 5 auch Anionen (z.B. Nitrat, Sulfat) sorbieren. Durch den Anstieg des pH-Wertes von 5,5 auf 7,0 verdoppelt sich die KAK der organischen Substanz. Somit wird die Kationenspeicherfähigkeit eines humosen Bodens durch Kalkung positiv beeinflusst. Durch saure Dünger (SSA) kann die Kationenbindung punktuell und temporär verringert werden. Dadurch wird die Pflanzenverfügbarkeit einzelner Nährstoffe, z.B. von Kalium oder Ammonium, kurzfristig verbessert.

Kationen: Anteile und Wirkung

Zweiwertiges Kalzium (Kalk) verbessert und stabilisiert die Bodenstruktur durch die Bildung stabiler Aggregate. Die Ca2+-Ionen verbinden Ton und Humusteilchen wie eine Brücke zu größeren Bodenkrümeln. So entstehen mehr Luft- und Wasserporen mit der Folge, dass die Wasseraufnahme und -speicherfähigkeit steigt und sich gleichzeitig die Durchlüftung des Bodens für das Wurzelwachstum verbessert. Das Mg2+ hat aufgrund seiner großen Wasserhülle, die wie Schmiere wirkt, keine strukturstabilisierende Wirkung. Auf schweren Böden, die oft unter Belastung durch häufigen Starkregen oder schwere Erntetechnik stehen, brechen diese Magnesiumbindungen schnell auf. Der Boden verschmiert.

Ein hoher Magnesiumanteil am Austauscher kann unter sehr trockenen Bedingungen aber auch Vorteile bringen. Die Diffusionswege bleiben länger erhalten, die Pflanzen halten somit unter extrem trockenen Bedingungen länger durch. Zudem ist das Quell- und Schrumpfverhalten durch die höhere Magnesiumbelegung stärker ausgeprägt. Das bietet bei verringerter Intensität der Bodenbearbeitung Vorteile. Unter diesen Bedingungen kann ein Magnesiumanteil von 15% am Austauscher sinnvoll sein.

Auf Böden mit einer mittleren bis hohen KAK (über 10 cmol/kg) sollte eine nahezu 100%ige Basensättigung angestrebt werden. Aufgrund der strukturfördernden Wirkung muss das dominierende Element stets das Kalzium sein. Sind in einem strukturstabilen Boden 80% der Austauscher mit Kalzium belegt, können noch 10% Magnesium und 5 bis 8% Kalium andocken.

Je nach Zusammensetzung des Austauscherkomplexes ist eine Mindestmenge an Kalium notwendig, um die Pflanze ernähren zu können. Auf einem stark humosen Sandboden mit geringem Anteil an Tonmineralen kann trotz einer KAK unter 10 cmol/kg der Kaliumanteil am Austauscher nur bei 2% liegen, ohne dass Defizite für die Pflanze zu erwarten sind. Ein toniger, aber humusarmer Kaolinitboden benötigt wenigstens 6% Kalium am Austauscher, um die K-Versorgung sicherzustellen.

Je trockener der Standort, umso höher muss die Basensättigung am Austauscher sein, damit die gedüngten Nährstoffe in der Bodenlösung und damit verfügbar bleiben. Unter sehr nassen Bedingungen ist insbesondere auf leichten Böden dagegen eine knappere Basensättigung (90%) von Vorteil. Diese verhindert Auswaschung, vor allem von Ammonium und Kalium.

Aufgrund der Komplexität der Materie im Austauscherkomplex können die Werte 75 bis 80% Kalzium, 10% Magnesium, 5 bis 8% Kalium nur als Orientierung dienen. Die Bestimmung der KAK und deren Belegung zeigt vielmehr Eigenschaften oder Probleme des Standorts im Hinblick auf die Verfügbarkeit und die Strukturwirkung der Kationen auf.