单个粘土颗粒或有机胶体的表面带负电 (-)。因此，它们的表面会吸引和吸附称为阳离子的带正电离子。当向土壤中加入水时，阳离子可以移动到溶液中，但是，它们仍然会被粘土颗粒或有机胶体表面吸引，因此会聚集在它们周围。
吸附和解吸的机制很重要，即使任何时候都只有不到 1% 的阳离子会这样做。这是因为分离的阳离子可用于植物。相反，当它们被土壤颗粒吸附时，这些植物可用养分的浸出会减少。
能够很容易地从土壤溶液中取代到带负电的土壤颗粒表面上的带正电的离子，反之亦然，称为可交换阳离子。最重要的可交换阳离子是：
为了被植物利用，吸附在粘土颗粒上的阳离子必须被土壤溶液中存在的阳离子取代。植物根部通过将氢离子 (H + )排泄到土壤溶液中以将其交换为阳离子（例如钾 - K +）来促进这一过程。 如果不更换阳离子（例如 K +），植物释放的氢 (H + ) 离子的累积效应会导致土壤酸化。通过这种方式，将 H +离子引入土壤溶液也增加了原生粘土矿物（例如长石）和次生粘土矿物（例如高岭土）的风化速率。
取代过程称为阳离子交换，仅当土壤溶液中的阳离子移动到位于带负电粒子表面的阳离子运动的半球时才会发生。对于钾离子 (K + )，这如图所示，钾离子 (K + ) 从粘土颗粒的表面被从土壤溶液中移动的氢离子 (H + )交换。

因此，阳离子交换被定义为任何带负电粒子（即粘土矿物或有机胶体）表面上的阳离子与土壤溶液之间的交换。虽然阳离子本身仍被粘土颗粒吸引，但随着与带负电表面的距离增加，对阳离子的吸引力迅速减弱。
这种吸引阳离子和带负电粒子的现象被称为“扩散双层”。从字面上看，它是一个“双层”，因为有两层电荷（即负电荷和正电荷）和“扩散”，因为外层阳离子没有明确定义。带负电粒子和阳离子之间的吸引力随着距离的增加而迅速减小。
除了阳离子的植物营养方面，吸附的阳离子也会影响粘土的行为。这是因为单个阳离子的结合力是各种因素的函数，包括；
阳离子电荷（即价态）、
水合阳离子的大小（即离子半径）、
电荷浓度和
粘土颗粒表面外双层的厚度。
在种情况下，阳离子对交换表面的吸引力越强，吸附的机会就越大。这被称为吸附能。阳离子的吸附能是化合价（即电荷）的函数。这就是为什么三价（+3 电荷）阳离子如铝和二价（即+2 电荷）阳离子如钙和镁分别具有吸附能，几乎是单价（即+1 电荷）阳离子的三倍和两倍) 阳离子，如钾或钠。结果，铝、钙或镁的可交换阳离子靠近粘土颗粒并且不会干扰聚集颗粒之间的内聚力。事实上，这些阳离子启动了土壤中的颗粒聚集过程。
因此，可交换阳离子的化合价决定了双层厚度。因此，主要可交换阳离子的价数越高，双层越薄。然而，即使当阳离子具有相同的电荷或价态时，双层厚度的差异仍然可能发生。
当阳离子的化合价相等（即都带 +1 电荷）时，水合半径最小的阳离子被更强烈地吸附。在钾和钠的一价阳离子的情况下，钾离子被更强烈地吸附，因为它的水合半径更小，因此更强烈地吸附到负电荷的位置。相比之下，钠离子是如此松散地保持并准备好水合，以至于富含钠的土壤会分散。

半径	单元	钠+	K +	镁2+	钙2+	铝3+
非水合	纳米	0.095	0.133	0.066	0.099	0.050
水合	纳米	0.360	0.330	0.430	0.410	0.480

这与钙和镁的二价阳离子的情况类似。因为水合镁离子比钙离子大，所以镁离子在土壤中的保持力更弱，在某些情况下（即钙含量低时）表现得像钠一样。
阳离子的电荷和水合阳离子的大小基本上决定了阳离子交换平衡的偏好。总之，带高电荷的阳离子往往比带较少电荷的阳离子更紧密，其次，水合半径小的阳离子结合得更紧密，不太可能从交换复合物中去除。这两个标准的综合影响可以概括为溶菌系列。

铝 > 钙 > 镁 > 钾，铵-NH 4+ > 钠 > 氢
它从左到右表示各种阳离子的吸附强度降低。因此，不太紧密地保持的阳离子位于离胶体表面最远的位置，并且可能被浸出或速地进一步向下延伸。相反，烈吸附的阳离子将倾向于最慢地向下移动通过轮廓。
吸附在土壤矿物颗粒和有机胶体上的阳离子的比例和种类也是土壤溶液中阳离子浓度的函数。如果土壤溶液中的阳离子浓度高，则该阳离子被吸附的机会或趋势会增加。
这就是添加溶解石膏 (CaSO 4 ) 以改善钠质土壤的原因。在这种情况下，溶解石膏的添加会增加土壤溶液中钙的浓度，这会导致交换复合物中钙离子的增加，但会损失可交换的钠。
土壤溶液中阳离子的主要来源是矿物风化（即原生矿物）、有机质矿化和添加土壤改良剂（即石灰、石膏等）。