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土壤学课程教案课程编号______________________章节名称及内容矿物岩石的风化和土壤形成(上)所在课程顺序号第5个教案授课学时与时长1学时授课教师王聪课程类型学类核心课风化作用,可形成深厚的红色风化层残积物的厚度及其发育的土壤肥力状况,决定于环境条件和基岩的性质这种成土母质与山区发展林业生产有密切的关系
(2)运积母质
①坡积物坡积物是基岩风化物被雨水或融雪水在重力作用下,沿斜坡运行,堆积在山坡和山麓的一种运积母质肥力较高
②洪积物是山洪夹杂泥沙和碎石沉积在山前谷口•带的•种运积母质洪积母质往往形成扇形,称为洪积扇母质层较深厚,肥力较高
③冲积物(淤积物)冲积物指被河水或山溪水搬运而沉积的物质冲积物因流域广,成分复杂,养分丰富
④湖积物湖积物指原湖泊底部的沉积物质,以后由于湖水位的下降或陆地上升而出露的一种母质养分丰富
⑤浅海沉积物指河流携带泥沙,在海岸边沉积的物质©风积物是经风搬运而堆积的物质肥力低
(3)第四纪沉积物第四纪距今一百万年左右,当时在各种外力作用下,进行剥蚀、搬运的风化物,堆积覆盖在地层的最上层,这些沉积物是形成近代土壤的重要母质对农林业的生产有着直接的关系我国地域辽阔,南北气候差别很大,加以海陆分布和地形的影响,使我国第四纪沉积物的特点更加复杂我国的第四纪沉积物主要包括黄土及黄土性物质红土和冰碱物
①黄土及黄土状物质由风搬运沉积的第四纪陆相粉砂质富含碳酸钙的土状沉积物肥力较高黄土为淡黄或暗黄色,土层厚度可达数十米,粉砂质地,粗细适宜,通体颗粒均匀一致,疏松多孔,通透性好,具有发达的直立性状,含有10T5%的碳酸钙,常形成石灰质结核根据黄土的性状和组成,以及发现有蜗牛等陆地动物的化石,所以认为黄土是一种与风力搬运堆积有关的母质黄土在我国分布很广,主要分布区域是太行山以西,大别山、秦岭以北,遍及陕西、甘肃、宁夏、山西、河南等省此外,在新强、青海、河北、山东、内蒙古等省、自治区也有部分分布黄土性物质又称次生黄土,是由黄土经流水侵蚀、搬运后,再沉积而形成的例如在江苏省西部,南京至镇江一线,广泛分布着由次生黄土构成的丘陵,通常称下蜀黄土它的特点是土层深厚,无明显层次,颗粒细小均匀,为棕黄色粉砂质粘土,具棱柱状结构,并含有大量铁锈结核及胶膜由于地处较潮湿地区,碳酸钙被淋溶至底部多呈结核状,上部呈微酸性反应
②红土指第四纪温暖潮湿气候下形成的红色粘质残积物或运积物质地粘重,呈红色、棕红色,肥力低,呈酸性在我国华中、华南及西南广大地区,从第四纪以来,由于受海洋性气团的影响,气候炎热而潮湿,各种堆积物强烈风化,其中含有较多的铁、铝的氧化物和高岭石等
③冰川沉积物和冰水沉积物冰川沉积物由冰川搬运的粉砂、沙砾石和漂砾等混合的非层状沉积物质冰水沉积物由冰川搬运,以后为冰川融水的水流所分选、沉积物质冰硬物是冰川期的遗迹,在我国分布很广由于我国在第I四纪期间没有大陆冰盖,冰川堆积多为零星式小片分布,如在甘肃、四川、广西、贵州等地都有这种不连续的冰川堆积物在长江以南低山丘陵地带也有小片分布青藏高原地区,气候干燥而寒冷,有较大面积的现代冰川分布,第四纪沉积也以各种冰硬物为主
七、思政内容风化作用需要物理、化学、生物三者合作才能更快完成其任务在我们生活、学习、工作中更加需要团队合作意识一个人的时间和精力是有限的,因此能力范围也是有限的,但是要很好的完成一件事情(比如各类科研、工程项目、举办一场会议、赢得一场比赛等等),往往需要多方面的能力当拥有不同技能的人在一起工作的时候,能弥补互相的短板,这样才能圆满完成任务良好的团队合作能产生1+12的效果
八、课程作业、讨论题、思考题、推荐阅读材料等课后作业
1、风化作用的类型及主要特点
2、风化产物的类型及划分依据
3、风化产物有哪些母质类型课后作业答案
1、风化作用的类型及主要特点物理风化作用特点岩石由大变小,破碎崩解,化学成分不变类型温差、冰冻、卸荷、摩擦等化学风化作用特点岩石的物质成分发生改变类型溶解、水化、水解、氧化等生物风化作用特点生物对岩石的破坏类型生物物理风化、生物化学风化
2、风化产物的类型及划分依据生态类型根据风化产物对土壤肥力性状的影响作为分类标准分为:硅质、长石质、铁镁质、钙质、未成岩类等类型地球化学类型根据风化物的成分和性质进行分类分为碎屑、钙化、硅铝化、富铝化等类型母质类型根据母质的搬运方式和堆积特点进行分类
3、风化产物的母质类型风化产物的母质类型(p.65-68)定积母质(残积母质)运积母质坡积母质、洪积母质、冲积母质、湖积母质、海积母质、风积母质、黄土母质、第四纪红土母质、冰硬物等教材选用及推荐参考书
(一)选用教材
1.孙向阳等编著《土壤学》,中国林业出版社出版社,2005年1月第1版(普通高等教育“十五”国家级规划教材;全国高等农林院校教材)
(二)推荐阅读材料
2.黄昌勇等编著《土壤学》,中国农业出版社,2000年1月第1版
3.Nyle C.Brady等编著^The Natureand Propertiesof SoilsLPearson出版社,2008年1月第14版
九、参考资料(含参考书、文献等)参考书
(一)选用教材
1.孙向阳等编著《土壤学》,中国林业出版社出版社,2005年1月第1版(普通高等教育“十五”国家级规划教材;全国高等农林院校教材)
(二)推荐参考书
2.黄昌勇等编著《土壤学》,中国农业出版社,2000年1月第1版
3.Nyle C.Brady等编著^The Natureand Propertiesof SoilsJ^,Pearson出版社,2008年1月第14版教学目标
1、要求深刻理解与熟练掌握风化作用的特点和风化产物
二、教学内容
1、风化过程
2.、风化产物的类型
三、教学重点
1、风化作用的特点和风化产物
四、教学难点
1、风化过程的实质
五、教学方法课堂讲授、多媒体辅助和板书相结合
六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业,然后开始进行课堂讲授,讲授过程穿插问题提问,本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问
2.1风化过程
2.2风化产物的类型
2.1风化过程(掌握)风化作用在外界因素作用下,岩石发生崩解、破碎、分解,形成大小不等的岩屑和沙粒的物理化学过程崩解大块f碎块f细粒,形状和大小发生改变,化学成分不变分解岩石风化过程中化学成分发生改变风化作用的类型
1、物理风化;
2、化学风化;
3、生物风化
1、物理风化指岩石发生疏松、崩解等机械破坏过程,只造成岩石结构、构造的改变(由大变小),一般不引起化学成分的变化乂称为机械风化、崩解影响因素热力作用、冻融作用、结晶作用、卸荷作用风化的结果使大岩石变成碎块,增大接触面,更利于化学风化进行
(1)热力作用(温差风化)主要是温差变化使岩石热胀冷缩,引起岩石的破坏不同物质的膨胀系数不同温度的季节性、昼夜性变化
(2)冻融作用(冰冻风化、冰劈作用)高寒山区或高纬度地区,岩石裂隙中的水分反复结冰、融化,使裂隙不断加宽、加深,岩石崩解破碎注结冰后体积增大
(3)结晶作用(岩石盐风化)干旱、半干旱等地区,岩石裂隙中的含盐溶液随水分减少,析出盐晶体,反复作用使岩石崩解(作用方式同冻融作用)
(4)卸荷作用地质作用使原来处于地层深处的岩石露出地表;或者,随着上层岩石的不断风化剥蚀,下层岩石距地面愈近,上覆重力愈小,释放原来承受的压力,引起岩石膨胀,发生破裂例子温度变化可以引起物质产生热胀冷缩岩石是由各种矿物组成的,而各种矿物的热学性质是不同的,例如石英的热膨胀系数为
0.0000075,而正长石为
0.000020,当昼夜或季节温度变化时,在矿物之间的接触面上产生张力,使岩石产生裂隙和崩解粗粒结晶的花岗岩,由于结晶矿物的膨胀幅度较大,这种作用更为明显含有喑色矿物的岩石,由于提高了岩石的热辐射能力,温度变化比较大,因此像玄武岩、辉长岩及辉绿岩等一些深色岩石,常产生剥蚀现象而由单一矿物集合的岩石或浅色岩石(如石灰岩、石英岩等),受到温度的影响较小崩解也比较慢由于温度的反复变化,坚硬的岩石便逐渐散碎浸入岩石缝隙中的水,结冰使体积膨胀增大1/11,所产生的压力可高达960公斤/平方厘米,因而引起岩石破裂落在岩隙中的碎石,起着像楔子一样的作用,当碎石受热膨胀时,岩隙扩大;当碎石冷却收缩时则向岩缝中堕落,对岩体产生劈裂作用此外,风和流水对岩石的侵蚀摩擦,也是很重要的物理风化作用,尤其在携有泥砂时其作用更为强烈第三纪末、第四纪处,我国广大区域内曾有冰川的活动,第四纪中又有过几次冰川,冰川移动时摩擦粉碎着地表的岩石大陆性气候的干旱地区昼夜温差悬殊,物理风化作用比较强烈,地面上多形成乱石滩,其风化产物粗糙并且夹杂石砾较多,养分释放极少在较高的山地由于结冰和重力等综合因素的作用,有时在山麓形成倒石堆,残留的岩石依然耸立物理风化作用的结果,使岩石由大块变成碎块,再渐变成细粒,其形状和大小改变了,但成分的变化很小,只是空气、水分的通透性增强了,暴露的表面积增大了,为化学风化创造了条件
2、化学风化岩石的矿物成分发生化学成分和性质的变化主要因素水、二氧化碳、氧气、温度等主要化学风化作用的类型有5个溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用
(1)溶解作用指水对岩石矿物的直接溶解一般难溶于水,但并非不溶水温升高、压力增大下作用增强(水滴石穿现象)常见造岩矿物的溶解程度岩盐〉石膏〉方解石〉橄榄石〉辉石〉角闪石,长石〉云母,石英注岩盐,化学成分为氯化钠;橄榄石,辉石属于硅酸盐;角闪石,长石>云母属于铝硅酸盐
(2)水化作用指水与一些不含水的矿物结合,改变原矿物的分子结构,形成新的含水矿物的作用石膏(CaS04)一硬石膏(CaS042H20)硫酸钠(Na2so4)-芒硝(Na2S04•10H20)使矿物的硬度降低,密度减小,体积增大,溶解度增加,加速岩石的崩解如硬石膏水化成石膏后,体积膨胀30机
(3)水解作用指矿物与水发生反应而分解的作用是化学风化作用中最重要的一种作用水有一定的解离度,当水分子进行解离时形成H+和0H-离子水解作用就是由于水的H+离子从硅酸盐矿物中,部分取代了碱金属和碱土金属的盐基离子,生成可溶性盐类当水中含有二氧化碳和酸性物质时,解离的氢离子增多,提高了氢离子浓度,因而增强了水解作用土壤中的各种生物学过程增加着二氧化碳的含量,所以矿物的水解强度与生活动有着密切的关系是硅酸盐类矿物最重要的一种风化方式,形成次生粘土矿物其中,以正长石的水解最为普遍正长石+水f高岭石+硅胶+K0H高岭石+水f铝土矿+硅胶
(4)碳酸化作用指当水中溶解有C02,可形成C032-,HC03-与矿物离子形成易溶于水的碳酸盐的作用正长石+水+C02f高岭石+硅胶+碳酸钾在石灰岩地区最为明显方解石+水+C02f重碳酸钙(易溶于水)
(5)氧化作用氧离子与低价元素矿物化合,形成高价元素矿物的作用极普遍的化学风化方式,高温湿润条件下更强烈易氧化的大多为金属矿物,尤其是含铁矿物如黄铁矿经氧化后形成褐铁矿,氧化过程中形成的部分硫酸盐随水流失,产生的硫酸可进一步参与岩石的化学风化
3、生物风化生物作用使岩石就地引起的破坏生物(动植物、微生物)对岩石所起的破坏作用主要发生在岩石的表层和土壤中包括生物的物理风化作用(根系穿插、动物挖掘等)和生物的化学风化作用(产生有机酸等代谢、分解产物)三种风化作用的相互关系(合作)三种风化作用同时发生、相互影响、相互促进★物理风化使岩石破碎,增大了岩石表面积,有利于水溶液进入岩石内部,为化学风化创造了良好条件★化学风化溶解了岩石中的易溶物质,改变了岩石的物理性质,从而加速了物理风化的进行★物理和化学风化又为生物风化的深入创造条件在不同自然条件下,风化类型的强弱、主次程度不同,影响风化作用的因素是综合起作用的
2.2风化产物的类型(掌握)
2.
2.1风化产物及风化壳
(1)风化产物
①碎屑物质包括岩石碎屑和矿物碎屑,主要是物理风化的产物
②溶解物质包括碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅胶等是化学风化和生物风化的产物
③难溶物质Fe、A1等不活泼元素形成的矿物,如褐铁矿、粘土矿物、铝土矿等
(2)残积物岩石风化后残留在原地的风化产物包括残留原地的碎屑物、难溶物质和新矿物结构松散,岩石碎屑大小不一,棱角明显,一般不具有层理主要分布在分水岭、山坡和低洼处具有垂直分带性,上部风化强烈,底部风化微弱,形成风化壳
(3)风化壳残积物覆盖在地壳上形成的疏松风化岩石土壤层风化作用达到的深度即风化壳的厚度
3.
2.2风化产物的生态类型根据风化产物对土壤肥力性状的影响作为分类
(1)硅质风化物SiO2含量很高的岩石如石英岩、石英砂岩、由硅质胶结的岩石(硅质砾岩或页岩)特点硅质岩类,抗物理和化学风化能力强这类岩石的矿物组成中含有大量石英化学成分以二氧化硅为主,耐剥蚀而难风化,岩性坚硬,节理发达,多构成陡峻的山脊和山坡硅质岩类风化物的厚度极薄,砂质,多石砾,各种营养元素也十分贫乏,分散的石英颗粒及岩石碎屑保水能力很低,因此这类风化物所形成的土壤宜林性通常较差,尤其在干旱地区,造林不易成活在温暖湿润的条件下,这类物质常形成酸性土壤
(2)长石质风化物富含正长石成分的岩石花岗岩、正长岩、酸性斑岩、流纹岩长石砂岩、片麻岩特点抗物理风化能力差,形成厚层风化壳花岗岩、正长岩及片麻岩等粒状结晶岩,比较容易发生物理崩解,形成厚层砂壤质或壤质风化物,由其发育的土壤通透性能良好,植物需要的磷、钾、钙、镁等营养元素比较丰富,土壤常呈微酸性反应这种风化物宜林性好,适于要求微酸性及通气良好的树种生长尤其适合各种松、杉等针叶树种生长隐晶质结构的霏细岩、流纹岩及粗面岩,比粒状岩石较难风化,且多形成壤质风化物在干旱气候条件下,这类岩石风化物多石砾,含石英颗粒多的花岗岩则生成砂砾质;在温暖湿润的条件F,则形成深厚的风化层,呈红色的粘壤土或砂质粘壤土,多呈酸性
(3)铁镁质风化物富含深色矿物的岩石辉长岩、玄武岩、闪长岩、安山岩等特点抗物理和化学风化较弱,形成厚层风化壳由辉石、角闪石、橄榄石等含有铁、镁成分的矿物组成的岩石,属于铁镁质岩类主要种类有闪长岩、安山岩、粉岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩以及铁镁质砾岩如火山熔砾岩、片岩等这类岩石因为含有容易风化的暗色矿物,化学风化及物理风化均进行得十分迅速一般形成的风化层较厚,质地为壤质或稍粘重,含有大量的钙、镁、磷等元素,唯钾的含量较少由这种风化物发育的土壤,养分状况良好,保水性能强但通气状况较花岗岩风化物稍差在较湿润的地区,可呈中性反应,在干旱地区则呈微碱性反应,宜林性良好,适于发展各种经济林木和对肥力条件要求比较高的针、阔叶树种4钙质风化物含CaC03的岩石石灰岩、大理岩、泥灰岩、白云质灰岩、钙质砂岩和页岩特点抗物理风化强,抗化学风化弱,形成薄层土壤石灰岩的矿物组成中以方解石及白云石占主要成分,可占全部矿物重量的90%以上钙质岩类在经受化学风化的溶蚀作用时,碳酸钙受酸性水溶解,大量随水流失其风化物是由岩石中的少量粘土矿物等残留堆积而成的在干旱或水土流失地区所形成的风化层很薄,常常残积在裸岩之间,质地粘重由钙质岩类风化物形成的土壤,有时缺乏林木需要的磷和钾,多具石灰物质,呈中性至微碱性反应,土质粘实,土壤易干旱在干旱缺水情况下,林木一般生长不良,造林不容易成活,不太适合于针叶树种生长,但是某些喜钙耐旱的树种尚能良好生长在水分条件良好又无水土流失的情况下,一般土层较厚,肥力高,土壤的宜林性质好
4.
2.3风化产物的地球化学类型根据风化物化学成分特点分类1碎屑类型岩石风化的最初期类型,以物理风化作用为主,化学风化不明显,只有氯和硫元素发生移动这种风化类型出现在山地,流水冲走了可溶性成分和细粒物质,只遗留下原岩的碎屑残块此外,在干旱的荒漠地区,强烈的温差变化,也可以使岩石形成这种类型的风化物碎屑类型风化物的化学成分和矿物组成与原岩基本相同2钙化类型因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐,受流水作用逐渐淋溶流失,而碳酸钙相对积累分布主要在干旱和半湿润地区我国新疆、内蒙古以及西北黄土高原、华北平原等地区均属于这种类型,这些地区的浅层地下水中,常含有各种可溶性盐分,矿化度比较高从风化物中淋失的氯化物和硫酸盐,常积累在该区域内的盆地中,形成内陆盐土分布区,例如新疆塔里木盆地、准喝尔盆地以及青海柴达木盆地,就有大量盐分积聚3硅铝化类型岩石中的矿物受长期风化,可溶性氯化物及硫酸盐遭到强烈淋失,甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋溶,而铝、铁、硅等元素尚有残留分布温带或暖温带雨量适中的地区4富铝化类型由于长期强烈的化学分解,原生和次生的硅酸盐矿物遭到很大破坏,不仅盐基成分全部淋失殆尽,而且硅酸也产生淋溶风化物中只残存着一些最难风化的石英、铁和铝的氧化物以及次生粘土矿物高岭石等分布热带的砖红壤或亚热带地区无论是热带的破红壤或亚热带的红壤,硅的迁移量均达40-70%,钙、镁、钾的迁移量更大,最高可接近100%;铁的富积量达7-15%;铝达10-12%,主要粘土矿物为高岭石,并含有赤铁矿及多水氧化铁这是我国富铝化类型的一般特
2.
2.4风化产物的母质类型根据风化产物的成因分类1定积母质残积物指基岩风化后残留于原地的物质母质的性质受母岩影响较大,一般上层颗粒细,下层粗,逐渐过渡到母岩层地面上的残积物,在经过水流淋洗后,具有粗骨性的特征残留在原地的岩石碎屑和难风化的矿物如石英颗粒,多具未经磨蚀的棱角,它的组成和性质已与原岩有较大的差别下层的风化物逐渐过渡到基岩,具有连续性的特征有时在裂面上积有白色的碳酸钙粉末,或存在黄色、红褐色的氧化铁、锦的斑痕残积物在气候寒冷的地区,其厚度一般较浅,在坡度较陡的山坡上部,因受水流冲刷,其厚度更为浅薄在潮湿炎热的热带及亚热带地区,由于强烈的化学。