河南省表层土壤全碳与有机碳地球化学背景值研究

摘要 基于2003—2020年河南省陆续完成的1∶25万多目标区域地球化学调查项目的成果数据，系统研究了河南省表层土壤全碳与有机碳地球化学背景值特征。结果表明，河南省表层土壤全碳和有机碳地球化学背景值在不同行政区、不同流域、不同成土母质发育的土壤中差异明显。表层土壤全碳背景值行政区空间分布总体表现为西部山前高、东部平原低，北部碱性土壤区高、南部酸性土壤区低；流域分布以海河流域—黄河流域—淮河流域—长江流域依次降低；成土母质按残积与残坡积物—河流冲积物—洪积物—风积物—黄土与红土—河湖相沉积物发育的土壤全碳背景值逐渐降低。表层土壤有机碳背景值行政区总体表现为山前偏高、平原偏低，不同流域的表层土壤有机碳背景值差异大；成土母质以残积与残坡积物—洪积物—河湖相沉积物—黄土与红土—河流冲积物—风积物发育的土壤有机碳背景值逐渐降低。

关键词 土壤全碳；土壤有机碳；地球化学背景值；河南省

中图分类号 X13 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）19-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.010

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Geochemical Background Values of Total Carbon and Organic Carbon in Surface Soil of Henan Province

GUO Qiang^1，2， CAI Chun-nan^1，2， GU Zhi-yun¹ et al

（1.Henan Geological Research Institute，Zhengzhou，Henan 450000;2. Henan Urban Geological Engineering Technology Research Center， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract Based on the results of the 1∶250 000 regional geochemical survey projects completed in Henan Province from 2003 to 2020， the geochemical background values of total carbon and organic carbon in surface soil in Henan Province were systematically studied.The results showed that there were significant differences in the geochemical background values of total carbon and organic carbon in the surface soil of Henan Province in different administrative regions， watersheds and soils with different parent materials.The overall spatial distribution of the total carbon background value of surface soil in administrative regions showed that it was higher in the western mountainous areas and lower in the eastern plains， higher in the northern alkaline soil areas and lower in the southern acidic soil areas;the distribution of river basins decreased in sequence from the Haihe River Basin to the Yellow River Basin， then to the Huaihe River Basin， and finally to the Yangtze River Basin;the total carbon background value of soil developed from residual and residual slope deposits， river alluvial deposits， alluvial deposits， aeolian deposits， loess and red soil， and river lake sediments gradually decreases.The background values of surface soil organic carbon in administrative regions were generally higher in mountainous areas and lower in plains， and there were significant differences in the background values of surface soil organic carbon in different watersheds;the background value of soil organic carbon developed from residual and residual slope deposits， alluvial deposits， river lake sediments， loess and red soil， river alluvial deposits， and aeolian deposits gradually decreased.

Key words Soil total carbon;Soil organic carbon;Geochemical background values;Henan Province

基金项目 国土资源部中国地质调查局地质调查项目（〔2004〕012-11，〔2006〕GZTR001-09，〔2007〕GZTR01-04，〔2008〕GZTR01-07，〔2013〕02-001-019）；河南省地质研究院2024年地质科技攻关项目（2024-901-XM05）。

作者简介 郭强（1983—），男，河南济源人，工程师，从事区域化探、农业地质、生态环境调查与评价工作。

收稿日期 2024-01-08

土壤碳作为土壤中碳元素的总和，由有机碳和无机碳组成。土壤有机碳的形成过程涉及植物残体、根系分泌物、微生物代谢产物及动物残骸等生物有机物质的分解，这些物质在微生物作用下经历一系列生物化学转化形成稳定的有机碳形态。土壤无机碳则来源于碳酸盐矿物、溶解的重碳酸盐和氢氧化物等无机化合物，它们在土壤中以溶解态或与矿物结合的形式存在，并在土壤pH、碳酸盐平衡以及土壤通气性等环境因素的作用下参与土壤碳的循环过程。由于土壤碳的构成受到气候、生物、地形、土壤类型等因素的影响，不同地区土壤碳的地球化学特征存在差异^［1］。土壤碳是全球碳循环的重要组成部分，土壤固定碳能力的强弱直接影响了全球碳循环^［2］，因此掌握研究区土壤碳地球化学特征对该区的土壤碳循环意义重大。

1 样品采集与数据处理

1.1 土壤样品采集

此次研究土壤样品分为表层样（0～20 cm连续土柱）。根据《多目标区域地球化学调查规范（1∶25万）》^［3］的要求，利用国家标准地形图（1∶10万）的方里网，将工作区按1 km×1 km规格划分为网格状，基本网格为1 km²，野外调查时以基本网格为单元采集表层土壤样品。每个基本网格内采集有代表性样品1件，采集0～20 cm连续土柱，样重1.5 kg，每件土壤样品在基本网格内的4～5个点上取等量土壤组合，点间距50 m以上，以最大限度地代表基本网格内土壤的地球化学特征，共采集土壤样品114 772件。根据《多目标区域地球化学调查规范（1∶25万）》^［3］的要求，将相邻的2 km×2 km大格内的4个基本网格内的野外采集原始样品自然风干过20目尼龙筛后等重量缩分，组合成1件分析样品（200 g），分析土壤全量元素含量，共分析表层土壤样品28 693件。

1.2 土壤样品分析

样品测试工作由河南省岩矿测试中心完成，分析方法按照项目实施单位中国地质调查局的推荐方法执行^［4］。全碳使用红外光谱分析法（IR），称取0.030 0 g样品，加入0.3 g纯铁粒和1.0 g纯钨粒，氧气载流，HCS878A型高频红外碳硫分析仪测定；有机碳使用容量法（VOL）测定，称取0.500 0 g样品于三角烧杯中，加入5 mL 0.8 mol/L的重铬酸钾标准溶液、5 mL浓硫酸，摇匀于电热板上消解，冷却后加入邻菲罗啉指示剂，硫酸亚铁滴定。

1.3 样品数据处理

表层（0～20 cm）土壤背景值是土壤环境科学研究不可或缺的基础性工作。土壤背景值的形成受自然因素和人类活动双重影响，并且随着时间的推移而呈现动态变化^［5］。因此，在实际工作中，准确确定土壤背景值是一项极具挑战性的任务。考虑目前已发布的绝大多数土壤碳背景值数据采用平均值统计，为方便对比研究此次土壤碳的背景值也采用算术均值进行统计。此次研究统计的土壤背景值参数仅对原始数据进行统计，未剔出处理，统计的参数包括算术平均值、最小值、最大值、标准差、变异系数、样本数等。

2 土壤全碳与有机碳背景值的主要影响因素

土壤碳是一个动态的碳储库，不断有碳流入与输出，进入土壤的有机碳主要有植物地上部分凋落物、死亡根系、根系淀积物；在干旱和半干旱地区的pH较高土壤上，可发生CO₂吸收^［6］。土壤碳循环中的输出项包括由土壤微生物异养呼吸作用产生的碳排放；土壤侵蚀过程中的碳损失；可溶性有机碳和无机碳通过淋洗过程的输出；以及在厌氧土壤环境或土壤微尺度空间中，甲烷作为温室气体的排放。国内学者研究显示，目前我国土壤碳的主要影响因素有气候、土壤酸碱度、成土母质等^［7-9］，因此研究土壤碳背景值重点关注这些因素对其影响。

2.1 气候的影响

气候变化会影响土壤的水分、温度等环境因素，从而影响炭质的合成、分解和稳定性^［10］。在温度升高和干旱加剧的情况下，土壤中的炭质含量会减少，因为高温和干旱会促使炭质的分解和氧化速度加快。而在温度降低和降雨增加的情况下，土壤中的炭质含量会增加。因为低温和高湿度可以减缓炭质的分解速度，同时有利于植物的生长和降解物的合成，进而增加炭质在土壤中的积累。研究区具有四季分明、雨热同期、复杂多样、气候灾害频繁的基本特征，并且存在着自南向北亚热带向暖温带气候过渡、自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的2个特征，因此气候会影响研究区土壤碳在空间分布上的差异。

2.2 酸碱性的影响

酸碱性是土壤的重要化学性质，是土壤在形成过程中受气候、植被、母质等因素综合作用所产生的属性，由土壤溶液中氢离子和氢氧离子的浓度决定。土壤酸碱性显著影响土壤微生物与农作物生长，同时决定土壤物理性质及元素的活性和有效性^［11］。研究区河南省土壤酸碱性自南向北土壤酸性逐渐减弱，南部多酸性土壤，北方多碱性土壤。其中研究区南部信阳地区土壤pH是6.26，南阳pH是5.40，属于酸性土壤；而北部的安阳地区pH为8.16，濮阳pH是8.30，郑州pH为8.06，属于碱性土壤。研究区表层（0～20 cm）土壤pH地球化学背景值的特征如表1所示。