由于土壤胶体表面带有大量的电荷，可以利用静电引力将土壤溶液中的带反号电荷的离子吸附到胶体的表面，一般将胶体表面的离子脱离胶体进入溶液，称为离子解吸。溶液中离子被吸附到胶体表面上，称为离子吸附。离子的解吸和吸附作用即产生了离子交换，土壤的离子吸附往往是通过离子交换作用表现出来的。

土壤胶粒和土壤溶液共同组成土壤胶体分散系统，土壤胶体微粒上吸附的阳离子和土壤溶液中的阳离子在一定条件下保持动态平衡关系。当土壤溶液的离子组成发生变化时，土壤胶体上的交换性阳离子也必然发生变化，即产生离子交换作用，使之达到新的平衡。胶体和溶液间的离子交换反应，既有阳离子交换反应，也有阴离子交换反应。在自然条件下，土壤胶体一般带负电荷较多，阳离子吸附作用更为普遍。因此，土壤离子交换作用更多的是阳离子交换。

通常是由多个反应步骤组成连续反应，其中一个或几个反应步骤可能对总体反应速率起控制作用，成为总体反应的速率控制步骤（速控步）。探寻离子交换的速控步及其成立条件可为离子交换的调控提供依据。土壤离子交换过程中，影响离子交换反应速控步的主要因素包括：①流动液的流速。流速大，有利于离子快速到达或离开土粒表面，加大离子吸附和解吸速率，加快膜扩散速率，致使颗粒内扩散成为速控步。②液膜厚度。在一定湿度条件下，固体颗粒周围存在一层液膜，称为流体力学膜或能斯特膜，减小液膜厚度，有助于降低离子交换过程中膜扩散的影响。③颗粒大小。土壤颗粒越大，膜扩散和颗粒内扩散的速率越小，且颗粒内扩散受颗粒大小的影响更大，其速率与颗粒直径平方成反比，而膜扩散速率与颗粒直径成反比。④溶液浓度。溶液浓度低时，膜扩散为速控步；溶液浓度高时，颗粒内扩散为速控步。通常以溶液浓度0.1摩/升为区分两种控制作用的临界浓度。⑤土壤黏土矿物组成。吸附交换位点位于外表面的高岭石离子交换速率大于蒙脱石和伊利石。⑥温度。温度升高可加快交换速率和扩散速率。⑦离子种类。具有较小水合半径的离子，如K⁺、NH₄⁺易进入土矿物内层空间，导致部分或全部内层阻塞，呈现颗粒内扩散控制过程。

①离子交换反应是可逆的。当溶液中的离子被吸附到胶体表面上和溶液达到平衡后，如果溶液的浓度或组成发生变化，则胶体上吸附的交换性离子和溶液中的离子产生离子交换，重归土壤溶液之中，建立新的平衡。这对植物营养的供应有重要意义，如植物根系从土壤溶液中吸收了某阳离子养分后，降低了溶液中该阳离子的浓度，土壤胶体表面的离子就解吸、迁移到溶液中，被植物根系吸收利用。另外，可以通过施肥、施用土壤改良剂以及其他土壤管理措施，恢复和提高交换性阳离子养分的水平，供作物吸收利用。②离子交换反应是等当量进行的。和其他化学反应一样，各种离子间的交换是以离子价为依据的等当量交换，即等量电荷的离子交换。③离子交换反应符合质量作用定律。由于离子交换反应一般是一个可逆反应，当温度一定时，存在一平衡常数。因此，对于离子价数较低、交换能力较弱的阳离子，如提高它的浓度，则根据质量作用定律，也可以交换离子价数较高、吸附能力较强的阳离子。这对保持土壤阳离子养料有重要意义。④补偿阳离子的效应。当土壤中存在具有更强吸持力的补偿阳离子时，可使一种阳离子对另一种阳离子的代换变得更加容易。以K⁺为例，由于Ca²⁺的结合强度和代换力大于K⁺，而Na⁺的结合强度和代换力小于K⁺，因此，如果K⁺的互补离子是Ca²⁺，则可提高K⁺的有效性；如果K⁺的互补离子是Na⁺，则会抑制K⁺的有效性。在农业生产中可利用这一效应促进植物对K⁺的吸收。⑤阴离子效应。土壤胶体上吸附的交换性阳离子的陪伴阴离子可以通过使交换反应朝更完全的方向进行来影响着阳离子的交换反应。如果交换反应的最终产物是离解度更弱的物质、溶解度小的物质或者易挥发的物质，则交换反应进行得更为完全。⑥交换反应过程迅速。土壤灌溉使胶体的补偿离子充分水化，交换反应只需几秒钟即可完成，对于相当干燥的土壤，补偿离子不能充分水化，活动性较差，此时交换反应的进行就缓慢得多。

影响交换反应的因素主要有离子的交换能力、溶液的浓度和胶体的表面性质，此外环境条件对离子交换也有明显的影响。

在浓度相近的情况下，不同阳离子对胶体上其他阳离子的交换能力具有不同的影响。决定离子交换能力的因素主要有离子的电荷数、离子的水化半径及离子的浓度。离子价数越高，则其交换能力越强，如三价的阳离子的交换能力大于二价阳离子，二价阳离子的交换能力又大于一价阳离子。同价的离子，其交换能力的大小依其离子半径和水化程度的不同而不同。离子半径越大，水化程度越弱，则水化半径越小，其代换能力越强，如K⁺＞Na⁺，这是因为K⁺的原子质量比Na⁺大，K⁺的离子半径大，电场强度小，离子水化时其水膜就薄，而水膜薄的离子易靠近胶体，故交换力就强，土壤中的阳离子交换能力大小排序为：Fe³⁺＞Al³⁺＞H⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞NH₄⁺＞K⁺＞Na⁺。其中，H⁺比较特殊，这是由于H⁺、NH₄⁺半径小，活动能力极强，同时H⁺也是土壤溶液中最不缺乏的离子，其交换能力又强，故在降水量大、排水良好的地区，土壤往往逐渐酸化，最终形成酸性土壤。

离子交换作用符合质量作用定律，交换能力很弱的离子如K⁺、Na⁺等一价离子，如果其浓度足够大，可以交换吸附能力很强而浓度较低的离子。在农业生产中，可以用增加土壤中有益离子浓度的方法控制离子置换方向，以培肥土壤，提高土壤生产力。如施用铵态氮肥NH₄⁺可以将胶体上的Ca²⁺等离子代换下来，而将NH₄⁺保存在胶体表面，不致随水流失，达到保肥的目的。而长期用含Na⁺水浇地，水中的Na⁺会将胶体上的Ca²⁺代换下来，从而使土壤碱化。

不同类型的胶体表面性质差异很大，如电荷的分布、密度、表面能的大小等都不同，胶体对交换能力相同或相近的离子的亲和力不同，如代换力相似的Ca²⁺和Mg²⁺，蒙脱石对钙的亲和力远大于镁。另外，矿质胶体中2:1型硅酸盐黏土矿物的晶穴直径与K⁺和NH₄⁺粒子直径相近，当K⁺或NH₄⁺进行交换反应时很容易陷入晶穴中，很难再被其他阳离子交换出来。

离子交换速度还受交换点位置的影响，如果溶液中的离子能直接与胶粒表面交换性离子接触，交换速度就快；如果离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换速率就慢。高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快；蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决于层间间距或膨胀程度；水云母类矿物的交换作用发生在狭窄的晶层间，所以交换速率较慢。

交换反应的环境条件中影响最大的是溶液的pH，pH升高，土壤胶体的可变电荷增多，土壤的吸附量就会增加，如果溶液的pH很低，H⁺浓度很大，则可能影响其他交换能力弱的阳离子的吸附。另外，高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。