在2∶1型层状铝硅酸盐黏土矿物的膨胀性晶格中，层间的阳离子（钙离子、镁离子、钠离子）被土壤溶液中的铵离子取代，引起铵的矿物固定，形成土壤固定态铵。

2∶1型层状铝硅酸盐黏土矿物由两个硅氧四面体片夹一个铝氢氧八面体片的晶层组成，其层间由于同晶置换作用而产生负电荷，可吸引晶层外的铵离子、钾离子、钙离子等阳离子而使电性中和。被吸附的铵离子、钾离子容易脱去水化膜，进入黏土矿物层间表面由氧原子形成的六角形孔穴中。这些孔穴的直径约为2.8纳米，恰好与铵离子和钾离子的直径相近。当铵离子、钾离子进入层间的孔穴时，黏土矿物的晶层发生收缩，导致铵离子和钾离子的固定。钙离子、镁离子、钠离子等阳离子的水化直径大于2.8纳米，不能进入六角形孔穴，所以能较自由地在黏土矿物晶层间移入或移出。

不同土壤的固铵能力有差别，影响因素有：①黏土矿物类型。蛭石对铵离子的固定能力最强，其次是水云母，再次为蒙皂石（在湿润条件下，蒙皂石不固定铵）；高岭石为1∶1型黏土矿物，基本上不固定铵。②土壤质地。一般随黏粒含量的增加而增加。在土壤剖面中，表土的固铵能力较心土和底土低。③土壤中钾的状态。当晶层间为钾离子所饱和时，会影响铵离子的进入，铵的固定大大减少。许多土壤可能因种植的作物吸收带走部分钾离子而使固铵能力增加。施用钾肥对铵离子固定有一定影响。先施钾离子后施铵离子可明显减少铵的固定，但同时施用钾离子和铵离子，或施用铵离子后再施钾离子则由于铵离子半径较钾离子大，具有较低的水化能，铵离子优先被黏土矿物固定。④铵的浓度。土壤中铵的固定量随铵态氮施用量增加而增强，但施入铵离子的固定率随施用量增加而减少。铵的固定过程虽能持续一段时间，但多在几小时内完成。⑤水分条件。施铵离子后土壤变干时，可增加铵的固定率和固定量。蛭石和水云母在大多数条件下能固定铵离子，但蒙皂石必须在干旱时才能固定铵离子。干湿交替可能促进土壤铵的固定作用，土壤结冻和解冻可能与干湿交替的作用相似。⑥土壤pH。土壤酸度和铵离子固定能力之间的关系尚未确定。但随着土壤pH的增加，例如通过施用石灰，铵的固定趋向于略微增加。强酸性土壤一般固定铵离子很少。施用铵态氮肥后所形成的土壤“新固定态铵”，其有效性较高，在作物生长期间能从黏土矿物晶格中重新释放出来，被作物所吸收；而土壤中“原有的固定态铵”的有效性则很低，能释放出来的数量很少。