نشكرك على زيارة Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصيك باستخدام متصفح محدث (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). في غضون ذلك، لضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط وJavaScript.
أخذ منحدر سكة حديد Sui-Chongqing كهدف بحثي، ومقاومة التربة، والكيمياء الكهربائية للتربة (إمكانات التآكل، وإمكانات الأكسدة والاختزال، والتدرج المحتمل، والرقم الهيدروجيني)، وأنيونات التربة (إجمالي الأملاح الذائبة، Cl-، SO42- و) وتغذية التربة. (محتوى الرطوبة، والمواد العضوية، والنيتروجين الكلي، والنيتروجين المحلل قلويًا، والفوسفور المتاح، والبوتاسيوم المتاح) تحت منحدرات مختلفة، يتم تقييم درجة التآكل وفقًا للمؤشرات الفردية والمؤشرات الشاملة للتربة الاصطناعية. وبالمقارنة مع العوامل الأخرى، فإن الماء له التأثير الأكبر على تآكل شبكة حماية المنحدر، يليه محتوى الأنيونات. للأملاح الذائبة الكلية تأثير معتدل على تآكل شبكة حماية المنحدر، وللتيار الضال تأثير معتدل على تآكل شبكة حماية المنحدر. تم تقييم درجة تآكل عينات التربة بشكل شامل، وكان التآكل على المنحدر العلوي معتدلاً، وكان التآكل على المنحدرات الوسطى والسفلى قويًا. ارتبطت المادة العضوية في التربة بشكل كبير بالتدرج المحتمل. النيتروجين المتاح والبوتاسيوم المتاح والمتاح كان الفوسفور مرتبطًا بشكل كبير بالأنيونات. ويرتبط توزيع العناصر الغذائية في التربة بشكل غير مباشر بنوع المنحدر.
عند بناء السكك الحديدية والطرق السريعة ومرافق الحفاظ على المياه، غالبًا ما تكون فتحات الجبال أمرًا لا مفر منه. بسبب الجبال في الجنوب الغربي، يتطلب بناء السكك الحديدية في الصين الكثير من حفر الجبال. إنه يدمر التربة والنباتات الأصلية، مما يخلق منحدرات صخرية مكشوفة. يؤدي هذا الوضع إلى الانهيارات الأرضية وتآكل التربة، وبالتالي تهديد سلامة النقل بالسكك الحديدية. الانهيارات الأرضية سيئة لحركة المرور على الطرق، خاصة بعد زلزال ونتشوان في 12 مايو 2008. أصبحت الانهيارات الأرضية كارثة زلزالية خطيرة ومنتشرة على نطاق واسع1. في تقييم عام 2008 لـ 4243 كيلومترًا من الطرق الرئيسية في مقاطعة سيتشوان، كان هناك 1736 كارثة زلزالية شديدة في قاع الطرق وجدران الاحتفاظ بالمنحدرات، وهو ما يمثل 39.76٪ من الطول الإجمالي للتقييم. تجاوزت الخسائر الاقتصادية المباشرة الناجمة عن أضرار الطرق 58 مليار يوان 2,3. تُظهر الأمثلة العالمية أن المخاطر الجيولوجية التي تعقب الزلزال يمكن أن تستمر لمدة 10 سنوات على الأقل (زلزال تايوان) وحتى 40-50 عامًا (زلزال كانتو في اليابان) 4,5. يُعد التدرج العامل الرئيسي المؤثر على مخاطر الزلازل 6,7. لذلك، من الضروري الحفاظ على منحدر الطريق وتعزيز استقراره. تلعب النباتات دورًا لا غنى عنه في حماية المنحدرات واستعادة المناظر الطبيعية البيئية 8. بالمقارنة مع منحدرات التربة العادية، لا تحتوي منحدرات الصخور على تراكم للعوامل الغذائية مثل المواد العضوية والنيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، ولا تحتوي على بيئة التربة اللازمة لنمو النباتات. بسبب العوامل مثل المنحدر الكبير وتآكل المطر، يتم فقدان تربة المنحدر بسهولة. بيئة المنحدر قاسية، وتفتقر إلى الظروف اللازمة لنمو النبات، وتفتقر تربة المنحدر إلى الاستقرار الداعم 9. رش المنحدر بمادة أساسية لتغطية التربة لحماية المنحدر هي تقنية استعادة بيئية شائعة الاستخدام في بلدي. تتكون التربة الاصطناعية المستخدمة في الرش من الحجر المكسر وتربة الأراضي الزراعية والقش والأسمدة المركبة وعامل الاحتفاظ بالمياه واللاصق (تشمل المواد اللاصقة المستخدمة بشكل شائع الأسمنت البورتلاندي والغراء العضوي ومستحلب الأسفلت) بنسبة معينة. العملية الفنية هي: أولاً وضع الأسلاك الشائكة على الصخرة، ثم تثبيت الأسلاك الشائكة بالمسامير ومسامير التثبيت، وأخيراً رش التربة الاصطناعية التي تحتوي على بذور على المنحدر باستخدام بخاخ خاص. يتم استخدام شبكة معدنية على شكل ماسي مقاس 14# مجلفنة بالكامل في الغالب، بمعيار شبكة 5 سم × 5 سم وقطر 2 مم. تسمح الشبكة المعدنية لمصفوفة التربة بتكوين لوح متجانس متين على سطح الصخر. ستتآكل الشبكة المعدنية في التربة، لأن التربة نفسها عبارة عن إلكتروليت، وتعتمد درجة التآكل على خصائص التربة. إن تقييم عوامل تآكل التربة له أهمية كبيرة لتقييم تآكل الشبكة المعدنية الناجم عن التربة والقضاء على مخاطر الانهيارات الأرضية.
يُعتقد أن جذور النباتات تلعب دورًا حاسمًا في تثبيت المنحدرات والتحكم في التعرية10،11،12،13،14. لتثبيت المنحدرات ضد الانهيارات الأرضية الضحلة، يمكن استخدام الغطاء النباتي لأن جذور النباتات يمكنها تثبيت التربة لمنع الانهيارات الأرضية15،16،17. تساعد النباتات الخشبية، وخاصة الأشجار، على منع الانهيارات الأرضية الضحلة18. تشكل الأنظمة الجذرية الرأسية والجانبية للنباتات بنية وقائية قوية تعمل كأكوام تقوية في التربة. يتم التحكم في تطوير أنماط بنية الجذر بواسطة الجينات، وتلعب بيئة التربة دورًا حاسمًا في هذه العمليات. يختلف تآكل المعادن باختلاف بيئة التربة20. يمكن أن تتراوح درجة تآكل المعادن في التربة من الذوبان السريع إلى التأثير الضئيل21. تختلف التربة الاصطناعية كثيرًا عن "التربة" الحقيقية. إن تكوين التربة الطبيعية هو نتيجة للتفاعلات بين البيئة الخارجية والكائنات الحية المختلفة على مدى عشرات الملايين من السنين22،23،24. قبل أن تشكل النباتات الخشبية إن استقرار نظام الجذر والنظام البيئي، وما إذا كانت الشبكة المعدنية المدمجة مع منحدر الصخور والتربة الاصطناعية قادرة على العمل بأمان، يرتبط ارتباطًا مباشرًا بتنمية الاقتصاد الطبيعي وسلامة الحياة وتحسين البيئة الإيكولوجية.
ومع ذلك، يمكن أن يؤدي تآكل المعادن إلى خسائر فادحة. ووفقًا لمسح أُجري في الصين في أوائل الثمانينيات على الآلات الكيميائية والصناعات الأخرى، فإن الخسائر الناجمة عن تآكل المعادن تمثل 4٪ من إجمالي قيمة الإنتاج. لذلك، من الأهمية بمكان دراسة آلية التآكل واتخاذ التدابير الوقائية للبناء الاقتصادي. التربة عبارة عن نظام معقد من الغازات والسوائل والمواد الصلبة والكائنات الحية الدقيقة. يمكن أن تتسبب المستقلبات الميكروبية في تآكل المواد، كما يمكن أن تتسبب التيارات الضالة في التآكل. لذلك، من المهم منع تآكل المعادن المدفونة في التربة. في الوقت الحاضر، تركز الأبحاث المتعلقة بتآكل المعادن المدفونة بشكل أساسي على (1) العوامل التي تؤثر على تآكل المعادن المدفونة25؛ (2) طرق حماية المعادن26،27؛ (3) طرق الحكم على درجة تآكل المعادن28؛ التآكل في بيئات مختلفة. ومع ذلك، كانت جميع الترب في الدراسة طبيعية وخضعت لعمليات تكوين تربة كافية. ومع ذلك، لا يوجد تقرير عن تآكل التربة الاصطناعي لمنحدرات صخور السكك الحديدية.
بالمقارنة مع الوسائط التآكلية الأخرى، تتميز التربة الاصطناعية بخصائص عدم السيولة والتباين والموسمية والإقليمية. يحدث التآكل المعدني في التربة الاصطناعية بسبب التفاعلات الكهروكيميائية بين المعادن والتربة الاصطناعية. بالإضافة إلى العوامل الفطرية، يعتمد معدل تآكل المعدن أيضًا على البيئة المحيطة. تؤثر مجموعة متنوعة من العوامل على تآكل المعدن بشكل فردي أو مجتمعة، مثل محتوى الرطوبة ومحتوى الأكسجين ومحتوى الأملاح الذائبة الكلية ومحتوى الأنيون والأيون المعدني ودرجة الحموضة وميكروبات التربة30،31،32.
في 30 عامًا من الممارسة، كان السؤال حول كيفية الحفاظ بشكل دائم على التربة الاصطناعية على المنحدرات الصخرية مشكلة33. لا يمكن للشجيرات أو الأشجار أن تنمو على بعض المنحدرات بعد 10 سنوات من العناية اليدوية بسبب تآكل التربة. تم غسل الأوساخ الموجودة على سطح الشبكة المعدنية في بعض الأماكن. بسبب التآكل، تشققت بعض الشبكات المعدنية وفقدت كل التربة فوقها وتحتها (الشكل 1). في الوقت الحاضر، تركز الأبحاث المتعلقة بتآكل منحدر السكك الحديدية بشكل أساسي على تآكل شبكة التأريض لمحطات السكك الحديدية الفرعية، وتآكل التيار الضال الناتج عن السكك الحديدية الخفيفة، وتآكل جسور السكك الحديدية34،35، والمسارات ومعدات المركبات الأخرى36. لم تكن هناك تقارير عن تآكل شبكة حماية منحدر السكك الحديدية المعدنية. تدرس هذه الورقة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والكهروكيميائية للتربة الاصطناعية على المنحدر الصخري الجنوبي الغربي لسكة حديد سويو، بهدف التنبؤ بتآكل المعادن من خلال تقييم خصائص التربة وتوفير أساس نظري وعملي لاستعادة النظام البيئي للتربة والاستعادة الاصطناعية. المنحدر الاصطناعي.
يقع موقع الاختبار في منطقة سيتشوان الجبلية (30°32′N، 105°32′E) بالقرب من محطة سكة حديد سوينينغ. تقع المنطقة في منتصف حوض سيتشوان، مع جبال منخفضة وتلال، مع بنية جيولوجية بسيطة وتضاريس مسطحة. يؤدي التعرية والقطع وتراكم المياه إلى إنشاء مناظر طبيعية جبلية متآكلة. يتكون الأساس الصخري بشكل أساسي من الحجر الجيري، والغطاء العلوي يتكون بشكل أساسي من الرمل الأرجواني والحجر الطيني. السلامة ضعيفة، والصخر عبارة عن بنية متكتلة. تتمتع منطقة الدراسة بمناخ الرياح الموسمية الرطبة شبه الاستوائية مع خصائص موسمية لأوائل الربيع والصيف الحار والخريف القصير وأواخر الشتاء. هطول الأمطار وفير، وموارد الضوء والحرارة وفيرة، وفترة خالية من الصقيع طويلة (285 يومًا في المتوسط)، والمناخ معتدل، ومتوسط ​​درجة الحرارة السنوية 17.4 درجة مئوية، ومتوسط ​​درجة حرارة الشهر الأكثر سخونة (أغسطس) 27.2 درجة مئوية، وأقصى درجة حرارة قصوى هي 39.3 درجة مئوية. أبرد شهر هو يناير يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة 6.5 درجة مئوية، بينما تبلغ أدنى درجة حرارة -3.8 درجة مئوية، ويبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي 920 ملم، ويتركز بشكل رئيسي في شهري يوليو وأغسطس. ويتفاوت معدل هطول الأمطار بشكل كبير في الربيع والصيف والخريف والشتاء. وتتراوح نسبة هطول الأمطار في كل فصل من فصول السنة بين 19% و21%، و51% و54%، و22% و24%، و4% و5% على التوالي.
يقع موقع البحث على منحدر يبلغ حوالي 45 درجة على منحدر خط سكة حديد يو-سوي الذي تم بناؤه في عام 2003. في أبريل 2012، كان يواجه الجنوب على بعد كيلومتر واحد من محطة سكة حديد سوينينغ. تم استخدام المنحدر الطبيعي كعنصر تحكم. يعتمد الترميم البيئي للمنحدر على تقنية رش التربة الأجنبية العلوية للترميم البيئي. وفقًا لارتفاع منحدر جانب السكة الحديدية، يمكن تقسيم المنحدر إلى منحدر صاعد ومنحدر متوسط ​​ومنحدر هابط (الشكل 2). نظرًا لأن سمك التربة الاصطناعية المقطوعة للمنحدر يبلغ حوالي 10 سم، لتجنب تلوث منتجات التآكل لشبكة التربة المعدنية، فإننا نستخدم فقط مجرفة من الفولاذ المقاوم للصدأ لأخذ سطح التربة من 0 إلى 8 سم. تم تعيين أربع مكررات لكل موضع منحدر، مع 15-20 نقطة أخذ عينات عشوائية لكل تكرار. كل تكرار هو مزيج من 15-20 تم تحديدها عشوائيًا من نقاط أخذ العينات الخطية على شكل حرف S. يبلغ وزنها الطازج حوالي 500 جرام. أعد العينات إلى المختبر في أكياس بلاستيكية قابلة للغلق للمعالجة. يتم تجفيف التربة بالهواء بشكل طبيعي، ويتم اختيار الحصى وبقايا الحيوانات والنباتات وسحقها بعصا العقيق، و يتم غربلتها بمنخل نايلون بحجم 20 و100 شبكة باستثناء الجسيمات الخشنة.
تم قياس مقاومة التربة بواسطة جهاز اختبار مقاومة التأريض VICTOR4106 الذي تنتجه شركة Shengli Instrument Company؛ وتم قياس مقاومة التربة في الميدان؛ تم قياس رطوبة التربة بطريقة التجفيف. يتميز جهاز DMP-2 المحمول الرقمي mv/pH بممانعة إدخال عالية لقياس إمكانية تآكل التربة. تم تحديد التدرج المحتمل وإمكانية الأكسدة والاختزال بواسطة جهاز DMP-2 المحمول الرقمي mv/pH، وتم تحديد إجمالي الملح الذائب في التربة بطريقة تجفيف البقايا، وتم تحديد محتوى أيون الكلوريد في التربة بطريقة معايرة AgNO3 (طريقة Mohr)، وتم تحديد محتوى كبريتات التربة بطريقة معايرة EDTA غير المباشرة، وطريقة معايرة المؤشر المزدوج لتحديد كربونات التربة وبيكربوناتها، وطريقة تسخين أكسدة ثنائي كرومات البوتاسيوم لتحديد المادة العضوية في التربة، وطريقة انتشار المحلول القلوي لتحديد نيتروجين التحلل القلوي في التربة، وطريقة هضم H2SO4-HClO4 باستخدام طريقة قياس اللون Mo-Sb. تم تحديد إجمالي الفوسفور في التربة ومحتوى الفوسفور المتاح في التربة بطريقة أولسن (محلول NaHCO3 0.05 مول/لتر كمستخلص)، وتم تحديد إجمالي محتوى البوتاسيوم في التربة بواسطة قياس الضوء باللهب باستخدام هيدروكسيد الصوديوم.
تم تنظيم البيانات التجريبية في البداية. وتم استخدام برنامج SPSS Statistics 20 لإجراء تحليل المتوسط ​​والانحراف المعياري وتحليل التباين أحادي الاتجاه وتحليل الارتباط البشري.
يوضح الجدول 1 الخصائص الكهروميكانيكية والأنيونات والمغذيات للتربة ذات المنحدرات المختلفة. كانت إمكانات التآكل ومقاومة التربة وتدرج الجهد من الشرق إلى الغرب للمنحدرات المختلفة جميعها مهمة (P < 0.05). كانت إمكانات الأكسدة والاختزال للمنحدر المنحدر والمتوسط ​​والمنحدر الطبيعي مهمة (P < 0.05). كان تدرج الجهد العمودي على السكة الحديدية، أي تدرج الجهد من الشمال إلى الجنوب، هو منحدر صاعد > منحدر هابط > منحدر متوسط. كانت قيمة الرقم الهيدروجيني للتربة في ترتيب منحدر هابط > منحدر صاعد > منحدر متوسط ​​> منحدر طبيعي. كان إجمالي الملح الذائب في المنحدر الطبيعي أعلى بكثير من منحدر السكة الحديدية (P < 0.05). كان إجمالي محتوى الملح الذائب في تربة منحدر السكة الحديدية من الدرجة الثالثة أعلى من 500 ملغم / كغم، وكان إجمالي الملح الذائب له تأثير معتدل على تآكل المعادن. كان محتوى المادة العضوية في التربة هو الأعلى في المنحدر الطبيعي والأدنى في المنحدر المنحدر (P < 0.05). كان إجمالي محتوى النيتروجين هو الأعلى في المنحدر الأوسط والأدنى في المنحدر الصاعد؛ كان محتوى النيتروجين المتاح هو الأعلى في المنحدر الهابط والمنحدر الأوسط، والأدنى في المنحدر الطبيعي؛ كان إجمالي محتوى النيتروجين في المنحدر الصاعد والمنحدر للسكك الحديدية أقل، ولكن محتوى النيتروجين المتاح كان أعلى. يشير هذا إلى أن معدل التمعدن النيتروجيني العضوي الصاعد والهابط سريع. محتوى البوتاسيوم المتاح هو نفسه الفوسفور المتاح.
مقاومة التربة هي مؤشر يشير إلى التوصيل الكهربائي ومعلمة أساسية للحكم على تآكل التربة. تشمل العوامل التي تؤثر على مقاومة التربة محتوى الرطوبة ومحتوى الأملاح الذائبة الكلية ودرجة الحموضة وملمس التربة ودرجة الحرارة ومحتوى المواد العضوية ودرجة حرارة التربة والضيق. بشكل عام، تكون التربة ذات المقاومة المنخفضة أكثر تآكلًا والعكس صحيح. يعد استخدام المقاومة للحكم على تآكل التربة طريقة شائعة الاستخدام في مختلف البلدان. ​​يوضح الجدول 1 معايير تقييم درجة التآكل لكل مؤشر واحد37،38.
وفقًا لنتائج الاختبارات والمعايير في بلدي (الجدول 1)، إذا تم تقييم تآكل التربة فقط من خلال مقاومة التربة، فإن التربة على المنحدر الصاعد شديدة التآكل؛ التربة على المنحدر المنحدر معتدلة التآكل؛ تآكل التربة على المنحدر الأوسط والمنحدر الطبيعي منخفض نسبيًا ضعيف.
مقاومة التربة للمنحدر الصاعد أقل بكثير من مقاومة الأجزاء الأخرى من المنحدر، والتي قد تكون ناجمة عن تآكل الأمطار. تتدفق التربة السطحية على المنحدر الصاعد إلى المنحدر الأوسط مع الماء، بحيث تكون شبكة حماية المنحدر المعدني الصاعد قريبة من التربة السطحية. تم الكشف عن بعض الشبكات المعدنية وحتى تعليقها في الهواء (الشكل 1). تم قياس مقاومة التربة في الموقع؛ كانت المسافة بين الأكوام 3 أمتار؛ كان عمق دق الأكوام أقل من 15 سم. يمكن أن تتداخل الشبكة المعدنية العارية والصدأ المتقشر مع نتائج القياس. لذلك، من غير الموثوق به تقييم تآكل التربة فقط من خلال مؤشر مقاومة التربة. في التقييم الشامل للتآكل، لا يتم أخذ مقاومة التربة للمنحدر الصاعد في الاعتبار.
بسبب الرطوبة النسبية العالية، يتسبب الهواء الرطب الدائم في منطقة سيتشوان في تآكل الشبكة المعدنية المعرضة للهواء بشكل أكثر خطورة من الشبكة المعدنية المدفونة في التربة39. يمكن أن يؤدي تعرض الشبكة السلكية للهواء إلى انخفاض عمر الخدمة، مما قد يؤدي إلى زعزعة استقرار التربة المرتفعة. يمكن أن يجعل فقدان التربة من الصعب على النباتات، وخاصة النباتات الخشبية، النمو. بسبب نقص النباتات الخشبية، من الصعب تكوين نظام جذر مرتفع لتصلب التربة. في الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي نمو النبات أيضًا إلى تحسين جودة التربة وزيادة محتوى الدبال في التربة، والذي لا يمكنه الاحتفاظ بالمياه فحسب، بل يوفر أيضًا بيئة جيدة لنمو وتكاثر الحيوانات والنباتات، وبالتالي تقليل فقدان التربة. لذلك، في المرحلة المبكرة من البناء، يجب زرع المزيد من البذور الخشبية على المنحدر، ويجب إضافة عامل الاحتفاظ بالمياه باستمرار وتغطيته بغشاء للحماية، وذلك لتقليل تآكل التربة المنحدرة بسبب مياه الأمطار.
إن إمكانية التآكل هي عامل مهم يؤثر على تآكل شبكة حماية المنحدر على المنحدر ذي المستويات الثلاثة، ولها التأثير الأكبر على المنحدر الصاعد (الجدول 2). في ظل الظروف العادية، لا يتغير احتمال التآكل كثيرًا في بيئة معينة. يمكن أن يحدث تغيير ملحوظ بسبب التيارات الضالة. تشير التيارات الضالة إلى التيارات 40 و41 و42 التي تتسرب إلى قاع الطريق ووسط التربة عندما تستخدم المركبات نظام النقل العام. مع تطور نظام النقل، حقق نظام النقل بالسكك الحديدية في بلدي كهربة واسعة النطاق، ولا يمكن تجاهل تآكل المعادن المدفونة الناجم عن تسرب التيار المباشر من السكك الحديدية المكهربة. حاليًا، يمكن استخدام تدرج جهد التربة لتحديد ما إذا كانت التربة تحتوي على اضطرابات التيار الضال. عندما يكون تدرج جهد التربة السطحية أقل من 0.5 مللي فولت/متر، يكون التيار الضال منخفضًا؛ عندما يكون تدرج الجهد في نطاق 0.5 مللي فولت/متر إلى 5.0 مللي فولت/متر، يكون التيار الضال معتدلًا؛ عندما يكون التدرج المحتمل أكبر من 5.0 م فولت / م، يكون مستوى التيار الضال مرتفعًا. يظهر النطاق العائم للتدرج المحتمل (EW) للمنحدر الأوسط والمنحدر العلوي والمنحدر السفلي في الشكل 3. من حيث النطاق العائم، توجد تيارات ضالة معتدلة في اتجاهات الشرق والغرب والشمال والجنوب للمنحدر الأوسط. لذلك، يعد التيار الضال عاملاً مهمًا يؤثر على تآكل الشبكات المعدنية على المنحدر الأوسط والمنحدر السفلي، وخاصة على المنحدر الأوسط.
بشكل عام، يشير جهد الأكسدة والاختزال للتربة (Eh) فوق 400 مللي فولت إلى القدرة المؤكسدة، وفوق 0-200 مللي فولت هو قدرة اختزال متوسطة، وأقل من 0 مللي فولت هو قدرة اختزال كبيرة. كلما انخفض جهد الأكسدة والاختزال للتربة، زادت قدرة التآكل للكائنات الحية الدقيقة في التربة على المعادن44. من الممكن التنبؤ باتجاه التآكل الميكروبي للتربة من جهد الأكسدة والاختزال. وجدت الدراسة أن جهد الأكسدة والاختزال للتربة للمنحدرات الثلاثة كان أكبر من 500 مللي فولت، وكان مستوى التآكل صغيرًا جدًا. يُظهر أن حالة تهوية التربة لأرض المنحدر جيدة، وهو ما لا يساعد على تآكل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية في التربة.
وجدت الدراسات السابقة أن تأثير درجة حموضة التربة على تآكل التربة واضح. مع تقلب قيمة الرقم الهيدروجيني، يتأثر معدل تآكل المواد المعدنية بشكل كبير. ترتبط درجة حموضة التربة ارتباطًا وثيقًا بالمنطقة والكائنات الحية الدقيقة في التربة45،46،47. بشكل عام، فإن تأثير درجة حموضة التربة على تآكل المواد المعدنية في التربة القلوية قليلاً ليس واضحًا. التربة في منحدرات السكك الحديدية الثلاثة كلها قلوية، وبالتالي فإن تأثير الرقم الهيدروجيني على تآكل الشبكة المعدنية ضعيف.
كما يمكن أن نرى من الجدول 3، يظهر تحليل الارتباط أن إمكانية الأكسدة والاختزال وموضع المنحدر مرتبطان بشكل إيجابي كبير (R2 = 0.858)، وإمكانية التآكل وتدرج الجهد (SN) مرتبطان بشكل إيجابي كبير (R2 = 0.755)، وإمكانية الأكسدة والاختزال وتدرج الجهد (SN) مرتبطان بشكل إيجابي كبير (R2 = 0.755). كان هناك ارتباط سلبي كبير بين الجهد والرقم الهيدروجيني (R2 = -0.724). ارتبط موضع المنحدر بشكل إيجابي كبير بإمكانية الأكسدة والاختزال. يوضح هذا وجود اختلافات في البيئة الدقيقة لمواضع المنحدر المختلفة، وأن الكائنات الحية الدقيقة في التربة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بإمكانية الأكسدة والاختزال48، 49، 50. ارتبط جهد الأكسدة والاختزال بشكل سلبي كبير مع الرقم الهيدروجيني51،52. أشارت هذه العلاقة إلى أن قيم الرقم الهيدروجيني وEh لم تتغير دائمًا بشكل متزامن أثناء عملية الأكسدة والاختزال في التربة، ولكن كانت لها علاقة خطية سلبية. يمكن أن يمثل جهد التآكل المعدني القدرة النسبية على اكتساب وفقدان الإلكترونات. على الرغم من أن جهد التآكل كان مرتبطًا بشكل إيجابي كبير بتدرج الجهد (SN)، إلا أن تدرج الجهد قد يكون ناتجًا عن فقدان المعدن للإلكترونات بسهولة.
يرتبط محتوى الأملاح الذائبة الكلية في التربة ارتباطًا وثيقًا بتآكل التربة. وبشكل عام، كلما زادت ملوحة التربة، انخفضت مقاومتها، وبالتالي زيادة مقاومتها. وفي إلكتروليتات التربة، لا تقتصر تأثيرات التآكل على الأنيونات والنطاقات المتغيرة فحسب، بل تشمل أيضًا الكربونات والكلوريدات والكبريتات. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر محتوى الأملاح الذائبة الكلية في التربة بشكل غير مباشر على التآكل من خلال تأثير عوامل أخرى، مثل تأثير جهد القطب في المعادن وذوبان الأكسجين في التربة53.
لا تشارك معظم الأيونات المذابة المتحللة بالملح في التربة بشكل مباشر في التفاعلات الكهروكيميائية، ولكنها تؤثر على تآكل المعدن من خلال مقاومة التربة. كلما زادت ملوحة التربة، زادت موصلية التربة وزاد تآكل التربة. إن محتوى ملوحة التربة في المنحدرات الطبيعية أعلى بكثير من محتوى منحدرات السكك الحديدية، وقد يكون ذلك بسبب حقيقة أن المنحدرات الطبيعية غنية بالنباتات، مما يساعد على الحفاظ على التربة والمياه. قد يكون سبب آخر هو أن المنحدر الطبيعي قد شهد تكوين تربة ناضجة (مادة التربة الأم التي تشكلت من خلال تجوية الصخور)، ولكن تربة منحدر السكك الحديدية تتكون من شظايا حجرية مطحونة كمصفوفة "تربة اصطناعية"، ولم تخضع لعملية تكوين تربة كافية. المعادن غير المنطلقة. بالإضافة إلى ذلك، ارتفعت أيونات الملح في التربة العميقة للمنحدرات الطبيعية من خلال الخاصية الشعرية أثناء التبخر السطحي وتراكمت في التربة السطحية، مما أدى إلى زيادة محتوى أيونات الملح في التربة السطحية. سمك التربة في منحدر السكة الحديدية أقل من 20 سم، مما أدى إلى عدم قدرة التربة السطحية على استكمال الملح من التربة العميقة.
الأيونات الموجبة (مثل K+ وNa+ وCa2+ وMg2+ وAl3+ وما إلى ذلك) لها تأثير ضئيل على تآكل التربة، بينما تلعب الأنيونات دورًا مهمًا في العملية الكهروكيميائية للتآكل ولها تأثير كبير على تآكل المعادن. يمكن أن يعمل Cl− على تسريع تآكل الأنود وهو الأنيون الأكثر تآكلًا؛ كلما زاد محتوى Cl−، زادت قوة تآكل التربة. لا يعزز SO42− تآكل الفولاذ فحسب، بل يسبب أيضًا تآكلًا في بعض المواد الخرسانية54. كما أنه يتسبب في تآكل الحديد. في سلسلة من تجارب التربة الحمضية، وجد أن معدل التآكل يتناسب مع حموضة التربة55. الكلوريد والكبريتات هما المكونان الرئيسيان للأملاح القابلة للذوبان، والتي يمكن أن تسرع بشكل مباشر من تجويف المعادن. أظهرت الدراسات أن فقدان وزن تآكل الفولاذ الكربوني في التربة القلوية يتناسب تقريبًا مع إضافة أيونات الكلوريد والكبريتات56،57. لي وآخرون. ووجد أن SO42- قد يعيق التآكل، لكنه يعزز تطور حفر التآكل التي تشكلت بالفعل58.
وفقًا لمعيار تقييم تآكل التربة ونتائج الاختبار، كان محتوى أيونات الكلوريد في كل عينة تربة منحدر أعلى من 100 مجم/كجم، مما يشير إلى تآكل قوي للتربة. كان محتوى أيونات الكبريتات في كل من المنحدرات الصاعدة والهابطة أعلى من 200 مجم/كجم وأقل من 500 مجم/كجم، وكانت التربة متآكلة بشكل معتدل. يكون محتوى أيونات الكبريتات في المنحدر الأوسط أقل من 200 مجم/كجم، وتآكل التربة ضعيف. عندما يحتوي وسط التربة على تركيز عالٍ، فإنه سيشارك في التفاعل وينتج مقياس تآكل على سطح القطب المعدني، مما يؤدي إلى إبطاء تفاعل التآكل. مع زيادة التركيز، قد ينكسر المقياس فجأة، مما يؤدي إلى تسريع معدل التآكل بشكل كبير؛ ومع استمرار زيادة التركيز، يغطي مقياس التآكل سطح القطب المعدني، ويظهر معدل التآكل اتجاهًا تباطؤًا مرة أخرى59. وجدت الدراسة أن الكمية الموجودة في التربة كانت أقل وبالتالي كان لها تأثير ضئيل على التآكل.
وفقًا للجدول 4، أظهر الارتباط بين المنحدر وأنيونات التربة وجود ارتباط إيجابي كبير بين المنحدر وأيونات الكلوريد (R2 = 0.836)، وارتباط إيجابي كبير بين المنحدر والأملاح الذائبة الكلية (R2 = 0.742).
ويشير هذا إلى أن الجريان السطحي وتآكل التربة قد يكونان مسؤولين عن التغيرات في إجمالي الأملاح الذائبة في التربة. وكان هناك ارتباط إيجابي كبير بين إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد، وقد يكون ذلك لأن إجمالي الأملاح الذائبة هي مجموعة من أيونات الكلوريد، ومحتوى إجمالي الأملاح الذائبة يحدد محتوى أيونات الكلوريد في محاليل التربة. لذلك، يمكننا أن نعرف أن الاختلاف في المنحدر قد يسبب تآكلًا شديدًا لجزء الشبكة المعدنية.
المواد العضوية والنيتروجين الكلي والنيتروجين المتاح والفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاح هي العناصر الغذائية الأساسية للتربة، والتي تؤثر على جودة التربة وامتصاص العناصر الغذائية بواسطة نظام الجذر. تعتبر العناصر الغذائية في التربة عاملاً مهمًا يؤثر على الكائنات الحية الدقيقة في التربة، لذلك يجدر دراسة ما إذا كان هناك ارتباط بين العناصر الغذائية في التربة وتآكل المعادن. تم الانتهاء من سكة حديد Suiyu في عام 2003، مما يعني أن التربة الاصطناعية شهدت 9 سنوات فقط من تراكم المواد العضوية. نظرًا لخصوصية التربة الاصطناعية، فمن الضروري أن يكون لديك فهم جيد للعناصر الغذائية في التربة الاصطناعية.
يُظهر البحث أن محتوى المادة العضوية هو الأعلى في تربة المنحدر الطبيعي بعد عملية تكوين التربة بأكملها. كان محتوى المادة العضوية في التربة المنخفضة المنحدر هو الأقل. بسبب تأثير التجوية والجريان السطحي، تتراكم العناصر الغذائية في التربة على منتصف المنحدر وأسفل المنحدر، مما يشكل طبقة سميكة من الدبال. ومع ذلك، بسبب الجسيمات الصغيرة وضعف استقرار التربة المنخفضة المنحدر، تتحلل المادة العضوية بسهولة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. وجد المسح أن تغطية النباتات وتنوعها في منتصف المنحدر وأسفل المنحدر كانت عالية، لكن التجانس كان منخفضًا، مما قد يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للعناصر الغذائية السطحية. تحتفظ الطبقة السميكة من الدبال بالماء وتكون الكائنات الحية في التربة نشطة. كل هذا يسرع من تحلل المواد العضوية في التربة.
كان محتوى النيتروجين المُحلل قلويًا في خطوط السكك الحديدية أعلى المنحدرات، وأوسط المنحدرات، وأسفل المنحدر أعلى منه في المنحدر الطبيعي، مما يشير إلى أن معدل تمعدن النيتروجين العضوي في منحدر السكك الحديدية كان أعلى بكثير من معدل المنحدر الطبيعي. كلما كانت الجسيمات أصغر، كانت بنية التربة أقل استقرارًا، وكان من الأسهل على الكائنات الحية الدقيقة تحلل المادة العضوية في التجمعات، وزادت كمية النيتروجين العضوي المعدني60،61. وتماشيًا مع نتائج الدراسة 62، كان محتوى التجمعات الجزيئية الصغيرة في تربة منحدرات السكك الحديدية أعلى بكثير من محتوى المنحدرات الطبيعية. لذلك، يجب اتخاذ التدابير المناسبة لزيادة محتوى الأسمدة والمواد العضوية والنيتروجين في تربة منحدر السكك الحديدية، وتحسين الاستخدام المستدام للتربة. شكّل هدر الفوسفور والبوتاسيوم المتاحين الناتج عن الجريان السطحي ما بين 77.27% و99.79% من إجمالي فقدان منحدر السكك الحديدية. قد يكون الجريان السطحي هو المحرك الرئيسي للتيار المتاح فقدان العناصر الغذائية في التربة المنحدرة63،64،65.
كما هو موضح في الجدول 4، كان هناك ارتباط إيجابي كبير بين موضع المنحدر والفوسفور المتاح (R2 = 0.948)، وكان الارتباط بين موضع المنحدر والبوتاسيوم المتاح هو نفسه (R2 = 0.898). ويظهر أن موضع المنحدر يؤثر على محتوى الفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاح في التربة.
التدرج هو عامل مهم يؤثر على محتوى المادة العضوية في التربة وإثراء النيتروجين66، وكلما كان التدرج أصغر، زاد معدل الإثراء. بالنسبة لإثراء العناصر الغذائية في التربة، تم إضعاف فقدان العناصر الغذائية، ولم يكن تأثير موضع المنحدر على محتوى المادة العضوية في التربة وإثراء النيتروجين الكلي واضحًا. تحتوي الأنواع والأعداد المختلفة من النباتات على المنحدرات المختلفة على أحماض عضوية مختلفة تفرزها جذور النباتات. الأحماض العضوية مفيدة لتثبيت الفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاح في التربة. لذلك، كان هناك ارتباط كبير بين موضع المنحدر والفوسفور المتاح، وموضع المنحدر والبوتاسيوم المتاح.
من أجل توضيح العلاقة بين مغذيات التربة وتآكل التربة، من الضروري تحليل الارتباط. كما هو موضح في الجدول 5، ارتبطت إمكانية الأكسدة والاختزال بشكل سلبي كبير بالنيتروجين المتاح (R2 = -0.845) وارتبطت بشكل إيجابي كبير بالفوسفور المتاح (R2 = 0.842) والبوتاسيوم المتاح (R2 = 0.980). تعكس إمكانية الأكسدة والاختزال جودة الأكسدة والاختزال، والتي تتأثر عادةً ببعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، ثم تؤثر على سلسلة من خصائص التربة. لذلك، فهي عامل مهم في تحديد اتجاه تحول مغذيات التربة67. قد تؤدي صفات الأكسدة والاختزال المختلفة إلى حالات مختلفة وتوافر العوامل الغذائية. لذلك، فإن إمكانية الأكسدة والاختزال لها ارتباط كبير بالنيتروجين المتاح والفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاح.
بالإضافة إلى خصائص المعدن، فإن إمكانية التآكل مرتبطة أيضًا بخصائص التربة. ارتبطت إمكانية التآكل بشكل سلبي كبير بالمادة العضوية، مما يشير إلى أن المادة العضوية كان لها تأثير كبير على إمكانية التآكل. بالإضافة إلى ذلك، ارتبطت المادة العضوية أيضًا بشكل سلبي كبير بتدرج الجهد (SN) (R2 = -0.713) وأيون الكبريتات (R2 = -0.671)، مما يشير إلى أن محتوى المادة العضوية يؤثر أيضًا على تدرج الجهد (SN) وأيون الكبريتات. كان هناك ارتباط سلبي كبير بين درجة حموضة التربة والبوتاسيوم المتاح (R2 = -0.728).
ارتبط النيتروجين المتاح بشكل كبير سلبًا مع إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد، وارتبط الفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاحان بشكل كبير إيجابيًا مع إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد. يشير هذا إلى أن محتوى العناصر الغذائية المتاحة أثر بشكل كبير على كمية إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد في التربة، وأن الأنيونات في التربة لم تكن مواتية لتراكم وتوفير العناصر الغذائية المتاحة. ارتبط النيتروجين الكلي بشكل كبير سلبًا مع أيونات الكبريتات، وارتبط بشكل كبير إيجابيًا مع البيكربونات، مما يشير إلى أن النيتروجين الكلي كان له تأثير على محتوى الكبريتات والبيكربونات. تحتاج النباتات إلى أيونات الكبريتات وأيونات البيكربونات بشكل ضئيل، لذا فإن معظمها يكون حرًا في التربة أو يمتصه غرويات التربة. تساعد أيونات البيكربونات على تراكم النيتروجين في التربة، وتقلل أيونات الكبريتات من توفر النيتروجين في التربة. لذلك، فإن زيادة محتوى النيتروجين والدبال المتاحين في التربة بشكل مناسب مفيد للحد من تآكل التربة.
التربة عبارة عن نظام ذو تركيبة وخصائص معقدة. تآكل التربة هو نتيجة العمل التآزري للعديد من العوامل. لذلك، تُستخدم طريقة تقييم شاملة بشكل عام لتقييم تآكل التربة. بالإشارة إلى "كود التحقيق في الهندسة الجيوتقنية" (GB50021-94) وطرق اختبار شبكة اختبار تآكل التربة الصينية، يمكن تقييم درجة تآكل التربة بشكل شامل وفقًا للمعايير التالية: (1) التقييم هو تآكل ضعيف، إذا كان التآكل ضعيفًا فقط، فلا يوجد تآكل متوسط ​​أو تآكل قوي؛ (2) إذا لم يكن هناك تآكل قوي، يتم تقييمه على أنه تآكل متوسط؛ (3) إذا كان هناك مكان أو مكانان من التآكل القوي، يتم تقييمه على أنه تآكل قوي؛ (4) إذا كان هناك 3 أماكن أو أكثر من التآكل القوي، يتم تقييمه على أنه تآكل قوي للتآكل الشديد.
وفقًا لمقاومة التربة، وإمكانات الأكسدة والاختزال، ومحتوى الماء، ومحتوى الملح، وقيمة الرقم الهيدروجيني، ومحتوى الكلور وSO42، تم تقييم درجات التآكل لعينات التربة على المنحدرات المختلفة بشكل شامل. وتظهر نتائج البحث أن التربة على جميع المنحدرات شديدة التآكل.
يُعد احتمال التآكل عاملاً مهمًا يؤثر على تآكل شبكة حماية المنحدر. إن احتمالات التآكل للمنحدرات الثلاثة أقل من -200 مللي فولت، مما يؤثر بشكل كبير على تآكل شبكة المعدن الصاعدة. يمكن استخدام التدرج المحتمل للحكم على حجم التيار الضال في التربة. يُعد التيار الضال عاملاً مهمًا يؤثر على تآكل الشبكة المعدنية على المنحدرات الوسطى والمنحدرات الصاعدة، وخاصة على المنحدرات الوسطى. كان إجمالي محتوى الأملاح القابلة للذوبان في تربة المنحدرات العليا والمتوسطة والسفلى أعلى من 500 مجم / كجم، وكان تأثير التآكل على شبكة حماية المنحدر معتدلاً. يُعد محتوى الماء في التربة عاملاً مهمًا يؤثر على تآكل الشبكات المعدنية في منتصف المنحدر وأسفل المنحدر، وله تأثير أكبر على تآكل شبكات حماية المنحدر. تكون العناصر الغذائية أكثر وفرة في تربة منتصف المنحدر، مما يشير إلى وجود أنشطة ميكروبية متكررة ونمو سريع للنبات.
يُظهر البحث أن إمكانية التآكل، والتدرج المحتمل، ومحتوى الأملاح الذائبة الكلية، ومحتوى الماء هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على تآكل التربة على المنحدرات الثلاثة، ويتم تقييم تآكل التربة على أنه قوي. يكون تآكل شبكة حماية المنحدر هو الأكثر خطورة عند المنحدر الأوسط، مما يوفر مرجعًا لتصميم مضاد للتآكل لشبكة حماية منحدر السكك الحديدية. إن الإضافة المناسبة للنيتروجين والأسمدة العضوية المتاحة مفيدة لتقليل تآكل التربة، وتسهيل نمو النباتات، وأخيرًا تثبيت المنحدر.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: Chen, J. et al.Effects of soil composition and electrochemistry on the corrosion of rock slope network along a Chinese railway line.science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
لين، واي إل ويانغ، جي إل الخصائص الديناميكية لمنحدرات الأساسات الحديدية تحت تأثير الزلازل والكوارث الطبيعية.69، 219-235 (2013).
سوي وانغ، ج. وآخرون. تحليل الأضرار الزلزالية النموذجية للطرق السريعة في منطقة وينتشوان المنكوبة بالزلزال في مقاطعة سيتشوان [مجلة]. المجلة الصينية لميكانيكا الصخور والهندسة. 28، 1250-1260 (2009).
وي لين، ز.، تشن يو، ل. وجين سونغ، ج. تحليل الأضرار الزلزالية والتدابير المضادة لجسور الطرق السريعة في زلزال ونتشوان. المجلة الصينية لميكانيكا الصخور والهندسة. 28، 1377-1387 (2009).
لين، سي دبليو، وليو، إس إتش، ولي، إس واي، وليو، سي سي تأثير زلزال تشيتشي على الانهيارات الأرضية الناجمة عن هطول الأمطار اللاحقة في وسط تايوان. الجيولوجيا الهندسية. 86، 87-101 (2006).
كوي، ت. وآخرون. التأثيرات طويلة المدى للانهيارات الأرضية الناجمة عن الزلازل على إنتاج الرواسب في مستجمعات المياه الجبلية: منطقة تانزاوا، اليابان. علم الجيومورفولوجيا. 101، 692-702 (2008).
هونغشواي، ل. وجينغشان، ب. وديدونج، ل. مراجعة للأبحاث حول تحليل الاستقرار الزلزالي للمنحدرات الجيوتقنية. هندسة الزلازل والاهتزازات الهندسية. 25، 164-171 (2005).
يوي بينغ، بحث حول المخاطر الجيولوجية الناجمة عن زلزال ونتشوان في سيتشوان. مجلة الجيولوجيا الهندسية، المجلد 4، الصفحات 7-12 (2008).
علي، ف. حماية المنحدرات بالنباتات: ميكانيكا الجذور لبعض النباتات الاستوائية. المجلة الدولية للعلوم الفيزيائية.5، 496-506 (2010).
تاكيو، م.، أيبا، إس آي، وكيتاياما، ك. التأثيرات الطبوغرافية على الغابات الجبلية المنخفضة الاستوائية في ظل ظروف جيولوجية مختلفة في جبل كينابالو، بورنيو. علم البيئة النباتية. 159، 35-49 (2002).
ستوكس، أ. وآخرون. خصائص جذور النباتات المثالية لحماية المنحدرات الطبيعية والهندسية من الانهيارات الأرضية. النباتات والتربة، 324، 1-30 (2009).
دي بايتس، س.، وبوسين، ج.، وجيسلز، ج.، وكنابين، أ. تأثير جذور العشب على قابلية التربة السطحية للتآكل أثناء التدفق المركز. جيومورفولوجيا 76، 54-67 (2006).