نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
باستخدام منحدر خط سكة حديد سوي-تشونغتشينغ كموضوع للدراسة، تم فحص مقاومة التربة، وخصائصها الكهروكيميائية (جهد التآكل، جهد الأكسدة والاختزال، تدرج الجهد، ودرجة الحموضة)، وأيونات التربة (الأملاح الذائبة الكلية، Cl-، SO42-)، ومغذيات التربة (محتوى الرطوبة، المادة العضوية، النيتروجين الكلي، النيتروجين المتحلل قلويًا، الفوسفور المتاح، والبوتاسيوم المتاح). تم تقييم درجة التآكل في منحدرات مختلفة وفقًا للمؤشرات الفردية والشاملة للتربة الاصطناعية. بالمقارنة مع العوامل الأخرى، كان للماء التأثير الأكبر على تآكل شبكة حماية المنحدر، يليه محتوى الأنيونات. كان للأملاح الذائبة الكلية تأثير متوسط ​​على تآكل شبكة حماية المنحدر، وكذلك التيار الشارد. تم تقييم درجة تآكل عينات التربة بشكل شامل، حيث كان التآكل متوسطًا في الجزء العلوي من المنحدر، وشديدًا في الجزء الأوسط والسفلي. ارتبطت المادة العضوية في التربة ارتباطًا وثيقًا بتدرج الجهد. كان النيتروجين المتاح والبوتاسيوم المتاح والفوسفور المتاح... يرتبط توزيع العناصر الغذائية في التربة ارتباطًا وثيقًا بالأنيونات. ويرتبط توزيع العناصر الغذائية في التربة بشكل غير مباشر بنوع المنحدر.
عند بناء خطوط السكك الحديدية والطرق السريعة ومرافق الري، غالباً ما يكون وجود فتحات في الجبال أمراً لا مفر منه. ونظراً لوجود الجبال في جنوب غرب الصين، يتطلب بناء خطوط السكك الحديدية فيها حفراً مكثفاً في الجبال، مما يؤدي إلى تدمير التربة والنباتات الأصلية، وظهور منحدرات صخرية مكشوفة. ويؤدي هذا الوضع إلى حدوث انهيارات أرضية وتآكل التربة، مما يهدد سلامة النقل بالسكك الحديدية. وتُعد الانهيارات الأرضية ضارة بحركة المرور على الطرق، لا سيما بعد زلزال ونتشوان الذي وقع في 12 مايو/أيار 2008. وقد أصبحت الانهيارات الأرضية كارثة زلزالية واسعة الانتشار وخطيرة. في تقييم عام 2008 لـ 4243 كيلومترًا من الطرق الرئيسية في مقاطعة سيتشوان، سُجّلت 1736 كارثة زلزالية شديدة في طبقات الطرق وجدرانها الاستنادية، ما يُمثّل 39.76% من إجمالي طول الطرق المشمولة بالتقييم. تجاوزت الخسائر الاقتصادية المباشرة الناجمة عن أضرار الطرق 58 مليار يوان صيني. تُشير الأمثلة العالمية إلى أن المخاطر الجيولوجية التي تلي الزلازل قد تستمر لمدة 10 سنوات على الأقل (زلزال تايوان) وحتى 40-50 عامًا (زلزال كانتو في اليابان). يُعدّ الانحدار العامل الرئيسي المؤثر على مخاطر الزلازل. لذلك، من الضروري صيانة منحدرات الطرق وتعزيز استقرارها. تلعب النباتات دورًا لا غنى عنه في حماية المنحدرات واستعادة المناظر الطبيعية. بالمقارنة مع المنحدرات الترابية العادية، تفتقر المنحدرات الصخرية إلى تراكم العناصر الغذائية مثل المواد العضوية والنيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، كما تفتقر إلى بيئة التربة اللازمة لنمو النباتات. نظرًا لعوامل مثل كبر حجمها بسبب انحدار المنحدرات وتآكلها بفعل الأمطار، تُفقد تربة المنحدرات بسهولة. بيئة المنحدرات قاسية، وتفتقر إلى الظروف اللازمة لنمو النباتات، كما تفتقر تربة المنحدرات إلى الاستقرار الداعم. يُعد رش المنحدرات بمواد أساسية لتغطية التربة وحمايتها تقنية شائعة الاستخدام في مجال ترميم المنحدرات بيئيًا في بلدي. تتكون التربة الاصطناعية المستخدمة في الرش من الحصى المكسر، وتربة الأراضي الزراعية، والقش، والأسمدة المركبة، ومادة حافظة للماء، ومادة لاصقة (تشمل المواد اللاصقة الشائعة الاستخدام الأسمنت البورتلاندي، والغراء العضوي، ومستحلب الأسفلت) بنسب محددة. تتلخص العملية التقنية في: أولًا، وضع سلك شائك على الصخر، ثم تثبيت السلك الشائك بالمسامير والبراغي، وأخيرًا رش التربة الاصطناعية المحتوية على البذور على المنحدر باستخدام مرش خاص. تُستخدم في الغالب شبكة معدنية مجلفنة بالكامل على شكل ماسة رقم 14، بمعيار شبكي 5 سم × 5 سم وقطر 2 مم. تسمح الشبكة المعدنية لمصفوفة التربة بتشكيل طبقة متجانسة متينة على سطح الصخر. ستتآكل الشبكة المعدنية في التربة، لأن التربة نفسها عبارة عن محلول إلكتروليتي، وتعتمد درجة التآكل على خصائص التربة. ويُعد تقييم عوامل تآكل التربة ذا أهمية كبيرة لتقييم تآكل الشبكات المعدنية الناتج عن التربة والقضاء على مخاطر الانهيارات الأرضية.
يُعتقد أن جذور النباتات تلعب دورًا حاسمًا في تثبيت المنحدرات ومكافحة التعرية^{10،11،12،13،14}. ولتثبيت المنحدرات ضد الانهيارات الأرضية الضحلة، يمكن استخدام الغطاء النباتي لأن جذور النباتات تُثبّت التربة لمنع الانهيارات الأرضية^15،16،17. ويساعد الغطاء النباتي الخشبي، وخاصة الأشجار، في منع الانهيارات الأرضية الضحلة¹⁸. ويُشكّل الغطاء النباتي الخشبي بنيةً واقيةً متينةً تتكون من أنظمة الجذور الرأسية والجانبية التي تعمل كركائز داعمة في التربة. ويتأثر تطور أنماط بنية الجذور بالجينات، وتلعب بيئة التربة دورًا حاسمًا في هذه العمليات. ويختلف تآكل المعادن باختلاف بيئة التربة²⁰. ويمكن أن تتراوح درجة تآكل المعادن في التربة من ذوبان سريع نسبيًا إلى تأثير ضئيل²¹. وتختلف التربة الاصطناعية اختلافًا كبيرًا عن التربة الطبيعية. وينتج تكوين التربة الطبيعية عن تفاعلات بين البيئة الخارجية والكائنات الحية المختلفة على مدى عشرات الملايين من السنين^22،23،24. وقبل أن يُشكّل الغطاء النباتي الخشبي نظامًا جذريًا مستقرًا، والنظام البيئي، وما إذا كانت الشبكة المعدنية المدمجة مع المنحدر الصخري والتربة الاصطناعية يمكن أن تعمل بأمان يرتبط ارتباطًا مباشرًا بتنمية الاقتصاد الطبيعي وسلامة الحياة وتحسين البيئة الإيكولوجية.
مع ذلك، يُمكن أن يُؤدي تآكل المعادن إلى خسائر فادحة. فبحسب دراسة استقصائية أُجريت في الصين في أوائل ثمانينيات القرن الماضي على الآلات الكيميائية وغيرها من الصناعات، بلغت الخسائر الناجمة عن تآكل المعادن 4% من إجمالي قيمة الإنتاج. لذا، يُعدّ دراسة آلية التآكل واتخاذ تدابير وقائية أمرًا بالغ الأهمية لضمان جدوى الإنشاءات الاقتصادية. تُعتبر التربة نظامًا مُعقدًا من الغازات والسوائل والمواد الصلبة والكائنات الدقيقة. يُمكن أن تُؤدي نواتج الأيض الميكروبية إلى تآكل المواد، كما يُمكن أن تُسبب التيارات الشاردة التآكل أيضًا. لذلك، من المهم منع تآكل المعادن المدفونة في التربة. في الوقت الحالي، تُركز الأبحاث حول تآكل المعادن المدفونة بشكل أساسي على: (1) العوامل المؤثرة على تآكل المعادن المدفونة؛ (2) طرق حماية المعادن؛ (3) طرق تقييم درجة تآكل المعادن؛ والتآكل في بيئات مختلفة. مع ذلك، كانت جميع أنواع التربة في الدراسة طبيعية وخضعت لعمليات تكوين كافية. ومع ذلك، لا توجد تقارير عن التعرية الاصطناعية للتربة على منحدرات الصخور في خطوط السكك الحديدية.
بالمقارنة مع الوسائط المسببة للتآكل الأخرى، تتميز التربة الاصطناعية بخصائص مثل عدم السيولة، وعدم التجانس، والتأثر بالموسمية، والاختلافات الإقليمية. وينتج تآكل المعادن في التربة الاصطناعية عن التفاعلات الكهروكيميائية بين المعادن والتربة الاصطناعية. وبالإضافة إلى العوامل الذاتية، يعتمد معدل تآكل المعادن أيضًا على البيئة المحيطة. وتؤثر عوامل متنوعة على تآكل المعادن بشكل فردي أو مجتمع، مثل محتوى الرطوبة، ومحتوى الأكسجين، ومحتوى الأملاح الذائبة الكلية، ومحتوى الأنيونات وأيونات المعادن، ودرجة الحموضة، والكائنات الحية الدقيقة في التربة.
على مدار ثلاثين عامًا من الممارسة، ظلّت مسألة كيفية الحفاظ الدائم على التربة الاصطناعية على المنحدرات الصخرية مشكلةً قائمةً.³³ لا تستطيع الشجيرات أو الأشجار النمو على بعض المنحدرات بعد عشر سنوات من العناية اليدوية بسبب تآكل التربة. وقد جُرفت الأوساخ من سطح الشبكة المعدنية في بعض الأماكن. وبسبب التآكل، تشققت بعض الشبكات المعدنية وفقدت التربة فوقها وتحتها بالكامل (الشكل 1). في الوقت الحاضر، يركز البحث في تآكل منحدرات السكك الحديدية بشكل أساسي على تآكل شبكة تأريض محطات السكك الحديدية الفرعية، وتآكل التيار الشارد الناتج عن القطارات الخفيفة، وتآكل جسور السكك الحديدية^34،35، والمسارات، ومعدات المركبات الأخرى³⁶. لم تُسجّل أي تقارير عن تآكل الشبكة المعدنية لحماية منحدرات السكك الحديدية. تدرس هذه الورقة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والكيميائية الكهربائية للتربة الاصطناعية على المنحدر الصخري الجنوبي الغربي لسكك حديد سويو، بهدف التنبؤ بتآكل المعادن من خلال تقييم خصائص التربة، وتوفير أساس نظري وعملي لاستعادة النظام البيئي للتربة وإعادة تأهيلها اصطناعيًا.
يقع موقع الاختبار في منطقة جبلية بمقاطعة سيتشوان (30°32′ شمالاً، 105°32′ شرقاً) بالقرب من محطة سكة حديد سوينينغ. تقع المنطقة في وسط حوض سيتشوان، وتتميز بجبالها وتلالها المنخفضة، وبنيتها الجيولوجية البسيطة، وتضاريسها المستوية. وقد أدى التعرية والقطع وتراكم المياه إلى تكوين مناظر طبيعية جبلية متآكلة. تتكون الصخور الأساسية بشكل رئيسي من الحجر الجيري، بينما تتكون الطبقة العلوية بشكل رئيسي من الرمال الأرجوانية والطين. وتتميز هذه الصخور بضعف تماسكها وبنيتها الكتلية. تتمتع منطقة الدراسة بمناخ موسمي رطب شبه استوائي، يتميز بخصائص موسمية تشمل ربيعًا مبكرًا، وصيفًا حارًا، وخريفًا قصيرًا، وشتاءً متأخرًا. وتتميز المنطقة بوفرة الأمطار، ووفرة موارد الضوء والحرارة، وطول فترة خلوها من الصقيع (285 يومًا في المتوسط)، ومناخها المعتدل، حيث يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة السنوية 17.4 درجة مئوية، ويبلغ متوسط ​​درجة حرارة أحر شهر (أغسطس) 27.2 درجة مئوية، بينما تصل أعلى درجة حرارة إلى 39.3 درجة مئوية. أما أبرد شهر فهو يناير (متوسط ​​درجة الحرارة السنوية 10.5 درجة مئوية). تبلغ درجة الحرارة 6.5 درجة مئوية، بينما تصل أدنى درجة حرارة إلى -3.8 درجة مئوية، ويبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي 920 ملم، ويتركز معظمه في شهري يوليو وأغسطس. يتفاوت هطول الأمطار بشكل كبير بين فصول السنة الأربعة: الربيع والصيف والخريف والشتاء، حيث تتراوح نسبة هطول الأمطار في كل فصل بين 19-21%، و51-54%، و22-24%، و4-5% على التوالي.
يقع موقع البحث على منحدر بزاوية 45 درجة تقريبًا على منحدر خط سكة حديد يو سوي الذي تم بناؤه في عام 2003. وفي أبريل 2012، كان الموقع يواجه الجنوب على بعد كيلومتر واحد من محطة سكة حديد سوينينغ. استُخدم المنحدر الطبيعي كعينة ضابطة. وتعتمد عملية إعادة تأهيل المنحدر بيئيًا على تقنية رش التربة السطحية الأجنبية. وبناءً على ارتفاع منحدر جانب السكة الحديد، يمكن تقسيم المنحدر إلى منحدر صاعد، ومنحدر متوسط، ومنحدر هابط (الشكل 2). ولأن سمك التربة الاصطناعية في المنحدر المقطوع يبلغ حوالي 10 سم، ولتجنب تلوث التربة بمنتجات تآكل الشبكة المعدنية، استخدمنا مجرفة من الفولاذ المقاوم للصدأ فقط لأخذ طبقة من سطح التربة بعمق 0-8 سم. تم تحديد أربع عينات مكررة لكل موقع على المنحدر، مع 15-20 نقطة أخذ عينات عشوائية لكل عينة مكررة. كل عينة مكررة عبارة عن خليط من 15-20 نقطة أخذ عينات تم تحديدها عشوائيًا من خط على شكل حرف S. يبلغ وزنها الطازج حوالي 500 جرام. نُقلت العينات إلى المختبر في أكياس بلاستيكية محكمة الإغلاق للمعالجة. تُجفف التربة طبيعيًا في الهواء، ثم يُزال الحصى وبقايا الحيوانات والنباتات، وتُسحق بعصا من العقيق، وتُغربل. منخل نايلون ذو فتحات 20 و 100 باستثناء الجزيئات الخشنة.
تم قياس مقاومة التربة بواسطة جهاز اختبار مقاومة التأريض VICTOR4106 الذي أنتجته شركة Shengli Instrument Company؛ وتم قياس مقاومة التربة في الموقع؛ تم قياس رطوبة التربة بطريقة التجفيف. يتميز جهاز DMP-2 الرقمي المحمول لقياس الجهد/الأس الهيدروجيني بمقاومة دخل عالية لقياس جهد تآكل التربة. تم تحديد تدرج الجهد وجهد الأكسدة والاختزال بواسطة جهاز DMP-2 الرقمي المحمول لقياس الجهد/الأس الهيدروجيني، وتم تحديد إجمالي الأملاح الذائبة في التربة بطريقة تجفيف البقايا، وتم تحديد محتوى أيون الكلوريد في التربة بطريقة معايرة نترات الفضة (طريقة مور)، وتم تحديد محتوى الكبريتات في التربة بطريقة معايرة EDTA غير المباشرة، وطريقة معايرة المؤشر المزدوج لتحديد كربونات وبيكربونات التربة، وطريقة التسخين بالأكسدة باستخدام ثنائي كرومات البوتاسيوم لتحديد المادة العضوية في التربة، وطريقة انتشار المحلول القلوي لتحديد نيتروجين التحلل المائي القلوي في التربة، وطريقة قياس الألوان باستخدام حمض الكبريتيك وحمض البيركلوريك. تم تحديد إجمالي الفوسفور في التربة ومحتوى الفوسفور المتاح في التربة بطريقة أولسن (باستخدام محلول بيكربونات الصوديوم بتركيز 0.05 مول/لتر كمستخلص)، وتم تحديد إجمالي محتوى البوتاسيوم في التربة بطريقة قياس اللهب بالانصهار باستخدام هيدروكسيد الصوديوم.
تم تنظيم البيانات التجريبية في البداية. تم استخدام برنامج SPSS Statistics 20 لإجراء المتوسط ​​والانحراف المعياري وتحليل التباين أحادي الاتجاه وتحليل الارتباط البشري.
يعرض الجدول 1 الخصائص الكهروميكانيكية والأنيونات والمغذيات للتربة ذات المنحدرات المختلفة. كان جهد التآكل ومقاومة التربة وتدرج الجهد الكهربائي من الشرق إلى الغرب في المنحدرات المختلفة ذا دلالة إحصائية (P < 0.05). كما كانت جهود الأكسدة والاختزال في المنحدرات السفلية والمتوسطة والطبيعية ذات دلالة إحصائية (P < 0.05). وكان تدرج الجهد الكهربائي العمودي على خط السكة الحديدية، أي تدرج الجهد الكهربائي من الشمال إلى الجنوب، كالتالي: المنحدر العلوي > المنحدر السفلي > المنحدر المتوسط. وكان ترتيب قيمة الرقم الهيدروجيني للتربة كالتالي: المنحدر السفلي > المنحدر العلوي > المنحدر المتوسط ​​> المنحدر الطبيعي. وكان إجمالي الأملاح الذائبة في المنحدر الطبيعي أعلى بشكل ملحوظ من منحدر السكة الحديدية (P < 0.05). ويتجاوز إجمالي محتوى الأملاح الذائبة في تربة منحدر السكة الحديدية من الدرجة الثالثة 500 ملغم/كغم، وله تأثير متوسط ​​على تآكل المعادن. وكان محتوى المادة العضوية في التربة أعلى ما يكون في المنحدر الطبيعي وأدنى ما يكون في المنحدر السفلي (P < 0.05). وكان إجمالي محتوى النيتروجين أعلى ما يكون في المنحدر المتوسط. كان محتوى النيتروجين المتاح أعلى ما يكون في المنحدر الصاعد، وأدنى ما يكون في المنحدر الطبيعي. وكان إجمالي محتوى النيتروجين في المنحدر الصاعد والهابط للسكك الحديدية أقل، بينما كان محتوى النيتروجين المتاح أعلى. يشير هذا إلى سرعة معدل تمعدن النيتروجين العضوي في المنحدرات الصاعدة والهابطة. ويتساوى محتوى البوتاسيوم المتاح مع محتوى الفوسفور المتاح.
تُعدّ مقاومة التربة مؤشرًا يدل على التوصيل الكهربائي، وهي معيار أساسي لتقييم تآكل التربة. تشمل العوامل المؤثرة على مقاومة التربة: محتوى الرطوبة، ومحتوى الأملاح الذائبة الكلي، ودرجة الحموضة، ونسيج التربة، ودرجة الحرارة، ومحتوى المادة العضوية، ودرجة حرارة التربة، وتماسكها. وبشكل عام، تكون التربة ذات المقاومة المنخفضة أكثر عرضة للتآكل، والعكس صحيح. يُعدّ استخدام المقاومة لتقييم قابلية التربة للتآكل طريقة شائعة الاستخدام في العديد من البلدان. ​​يوضح الجدول 1 معايير تقييم درجة التآكل لكل مؤشر على حدة.
وفقًا لنتائج الاختبارات والمعايير في بلدي (الجدول 1)، إذا تم تقييم تآكل التربة فقط من خلال مقاومة التربة، فإن التربة على المنحدر العلوي تكون شديدة التآكل؛ والتربة على المنحدر السفلي تكون متوسطة التآكل؛ أما تآكل التربة على المنحدر الأوسط والمنحدر الطبيعي فهو ضعيف نسبيًا.
تُعدّ مقاومة التربة في الجزء العلوي من المنحدر أقل بكثير من مقاومة باقي أجزاء المنحدر، وقد يكون ذلك ناتجًا عن التعرية المطرية. تتدفق التربة السطحية في الجزء العلوي من المنحدر مع الماء إلى الجزء الأوسط، مما يجعل شبكة الحماية المعدنية للجزء العلوي من المنحدر قريبة من التربة السطحية. وقد انكشفت بعض الشبكات المعدنية، بل وعلقت في الهواء (الشكل 1). تم قياس مقاومة التربة في الموقع؛ وكانت المسافة بين الركائز 3 أمتار؛ وعمق دق الركائز أقل من 15 سم. يمكن أن تؤثر الشبكة المعدنية المكشوفة والصدأ المتقشر على نتائج القياس. لذلك، لا يُعتمد على مؤشر مقاومة التربة وحده لتقييم قابلية التربة للتآكل. في التقييم الشامل للتآكل، لا تُؤخذ مقاومة التربة في الجزء العلوي من المنحدر في الاعتبار.
بسبب ارتفاع نسبة الرطوبة النسبية، يتسبب الهواء الرطب الدائم في منطقة سيتشوان في تآكل الشبكة المعدنية المعرضة للهواء بشكل أسرع من الشبكة المدفونة في التربة. يؤدي تعرض الشبكة السلكية للهواء إلى تقليل عمرها الافتراضي، مما قد يُزعزع استقرار التربة في المناطق المرتفعة. يُعيق فقدان التربة نمو النباتات، وخاصة الأشجار والشجيرات. ونظرًا لقلة الأشجار والشجيرات، يصعب تكوين نظام جذري في المناطق المرتفعة لتثبيت التربة. في الوقت نفسه، يُحسّن نمو النباتات جودة التربة ويزيد من محتواها من الدبال، مما يُساعد على الاحتفاظ بالماء وتوفير بيئة مناسبة لنمو وتكاثر الحيوانات والنباتات، وبالتالي تقليل فقدان التربة. لذلك، في المراحل الأولى من الإنشاء، يُنصح بزراعة المزيد من بذور الأشجار والشجيرات في المناطق المرتفعة، مع إضافة مواد حافظة للماء باستمرار وتغطيتها بغشاء واقٍ، وذلك للحد من انجراف التربة بفعل مياه الأمطار.
يُعدّ جهد التآكل عاملاً هاماً يؤثر على تآكل شبكة حماية المنحدرات على المنحدرات ثلاثية المستويات، وله التأثير الأكبر على المنحدر الصاعد (الجدول 2). في الظروف العادية، لا يتغير جهد التآكل كثيراً في بيئة معينة. ويمكن أن يحدث تغيير ملحوظ بسبب التيارات الشاردة. تشير التيارات الشاردة إلى التيارات 40 و41 و42 التي تتسرب إلى طبقة الطريق والتربة عند استخدام المركبات لنظام النقل العام. مع تطور نظام النقل، حقق نظام النقل بالسكك الحديدية في بلادي كهربة واسعة النطاق، ولا يمكن تجاهل تآكل المعادن المدفونة الناتج عن تسرب التيار المباشر من خطوط السكك الحديدية المكهربة. حالياً، يمكن استخدام تدرج جهد التربة لتحديد ما إذا كانت التربة تحتوي على اضطرابات تيارات شاردة. عندما يكون تدرج جهد التربة السطحية أقل من 0.5 ملي فولت/متر، يكون التيار الشارد منخفضاً؛ وعندما يكون تدرج الجهد في نطاق 0.5 ملي فولت/متر إلى 5.0 ملي فولت/متر، يكون التيار الشارد متوسطاً. عندما يتجاوز تدرج الجهد 5.0 ملي فولت/متر، يكون مستوى التيار الشارد مرتفعًا. يوضح الشكل 3 نطاق تدرج الجهد (شرق-غرب) في منتصف المنحدر، وأعلى المنحدر، وأسفل المنحدر. يُلاحظ وجود تيارات شاردة متوسطة في اتجاهي الشرق-الغرب والشمال-الجنوب في منتصف المنحدر. لذا، يُعد التيار الشارد عاملًا مهمًا يؤثر على تآكل الشبكات المعدنية في منتصف المنحدر وأسفله، وخاصةً في منتصف المنحدر.
بشكل عام، يشير جهد الأكسدة والاختزال للتربة (Eh) الذي يزيد عن 400 ملي فولت إلى قدرة أكسدة عالية، بينما يشير الجهد الذي يتراوح بين 0 و200 ملي فولت إلى قدرة اختزال متوسطة، أما الجهد الذي يقل عن 0 ملي فولت فيشير إلى قدرة اختزال عالية. كلما انخفض جهد الأكسدة والاختزال للتربة، زادت قدرة الكائنات الحية الدقيقة في التربة على تآكل المعادن.⁴⁴ ومن الممكن التنبؤ باتجاه تآكل التربة الميكروبي من خلال جهد الأكسدة والاختزال. وقد وجدت الدراسة أن جهد الأكسدة والاختزال للتربة في المنحدرات الثلاثة كان أكبر من 500 ملي فولت، وأن مستوى التآكل كان منخفضًا جدًا. وهذا يدل على أن حالة تهوية التربة في الأراضي المنحدرة جيدة، مما لا يُساعد على تآكل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية في التربة.
أظهرت دراسات سابقة أن تأثير درجة حموضة التربة على تآكلها واضح. ومع تذبذب قيمة الرقم الهيدروجيني، يتأثر معدل تآكل المواد المعدنية بشكل كبير. ترتبط درجة حموضة التربة ارتباطًا وثيقًا بالمنطقة والكائنات الحية الدقيقة الموجودة فيها.^45،46،47 وبشكل عام، يكون تأثير درجة حموضة التربة على تآكل المواد المعدنية في التربة القلوية قليلاً غير واضح. تربة المنحدرات الثلاثة للسكك الحديدية قلوية، لذا فإن تأثير الرقم الهيدروجيني على تآكل الشبكة المعدنية ضعيف.
كما يتضح من الجدول 3، فإن تحليل الارتباط يظهر أن جهد الأكسدة والاختزال وموضع الميل مرتبطان ارتباطًا إيجابيًا كبيرًا (R2 = 0.858)، وأن جهد التآكل وتدرج الجهد (SN) مرتبطان ارتباطًا إيجابيًا كبيرًا (R2 = 0.755)، وأن جهد الأكسدة والاختزال وتدرج الجهد (SN) مرتبطان ارتباطًا إيجابيًا كبيرًا (R2 = 0.755). كان هناك ارتباط سلبي قوي بين الجهد الكهربائي ودرجة الحموضة (R² = -0.724). وارتبط موقع المنحدر ارتباطًا إيجابيًا قويًا بجهد الأكسدة والاختزال. يشير هذا إلى وجود اختلافات في البيئة الدقيقة باختلاف مواقع المنحدر، وأن الكائنات الحية الدقيقة في التربة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بجهد الأكسدة والاختزال^{48، 49، 50}. وارتبط جهد الأكسدة والاختزال ارتباطًا سلبيًا قويًا بدرجة الحموضة^{51، 52}. تشير هذه العلاقة إلى أن قيم درجة الحموضة وجهد الأكسدة والاختزال لا تتغير دائمًا بشكل متزامن أثناء عملية الأكسدة والاختزال في التربة، بل تربطها علاقة خطية عكسية. يمكن أن يمثل جهد تآكل المعدن القدرة النسبية على اكتساب وفقدان الإلكترونات. وعلى الرغم من أن جهد التآكل يرتبط ارتباطًا إيجابيًا قويًا بتدرج الجهد (SN)، إلا أن تدرج الجهد قد يكون ناتجًا عن سهولة فقدان المعدن للإلكترونات.
يرتبط محتوى الأملاح الذائبة الكلية في التربة ارتباطًا وثيقًا بتآكلها. وبشكل عام، كلما زادت ملوحة التربة، انخفضت مقاومتها الكهربائية، مما يزيد من مقاومتها للتآكل. في محاليل التربة الإلكتروليتية، لا تقتصر تأثيرات التآكل على الأنيونات ونطاقاتها 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 التربة.
لا تشارك معظم الأيونات الذائبة المتفككة من الأملاح في التربة بشكل مباشر في التفاعلات الكهروكيميائية، ولكنها تؤثر على تآكل المعادن من خلال مقاومة التربة. كلما زادت ملوحة التربة، زادت موصليتها الكهربائية، وازداد تآكلها. تكون نسبة الملوحة في المنحدرات الطبيعية أعلى بكثير من تلك الموجودة في منحدرات السكك الحديدية، وقد يُعزى ذلك إلى وفرة الغطاء النباتي في المنحدرات الطبيعية، مما يُسهم في الحفاظ على التربة والمياه. سبب آخر محتمل هو أن المنحدرات الطبيعية قد شهدت تكوين تربة ناضجة (مادة التربة الأم المتكونة من تجوية الصخور)، بينما تتكون تربة منحدرات السكك الحديدية من شظايا حجرية مطحونة تُشكل أساس "التربة الاصطناعية"، ولم تخضع لعملية تكوين تربة كافية. المعادن غير المنطلقة. بالإضافة إلى ذلك، ارتفعت أيونات الملح في التربة العميقة للمنحدرات الطبيعية بفعل الخاصية الشعرية أثناء التبخر السطحي وتراكمت في التربة السطحية، مما أدى إلى زيادة محتوى أيونات الملح في التربة السطحية. يقل سمك التربة في منحدر السكة الحديدية عن 20 سم، مما يجعل التربة السطحية غير قادرة على تعويض الملح من التربة العميقة.
لا تؤثر الأيونات الموجبة (مثل K+، Na+، Ca2+، Mg2+، Al3+، إلخ) إلا قليلاً على تآكل التربة، بينما تلعب الأنيونات دورًا هامًا في العملية الكهروكيميائية للتآكل ولها تأثير كبير على تآكل المعادن. يُسرّع أيون الكلوريد (Cl−) تآكل المصعد، وهو الأنيون الأكثر تآكلًا؛ فكلما زاد تركيزه، زاد تآكل التربة. لا يُعزز أيون الكبريتات (SO42−) تآكل الفولاذ فحسب، بل يُسبب أيضًا تآكل بعض مواد الخرسانة. كما يُسبب تآكل الحديد. في سلسلة من التجارب على التربة الحمضية، وُجد أن معدل التآكل يتناسب طرديًا مع حموضة التربة. يُعد الكلوريد والكبريتات المكونين الرئيسيين للأملاح الذائبة، والتي تُسرّع بشكل مباشر من تجويف المعادن. أظهرت الدراسات أن فقدان وزن الفولاذ الكربوني الناتج عن التآكل في التربة القلوية يتناسب تقريبًا طرديًا مع إضافة أيونات الكلوريد والكبريتات. وجد أن SO42- قد يعيق التآكل، ولكنه يعزز تطور حفر التآكل التي تشكلت بالفعل 58.
وفقًا لمعيار تقييم تآكل التربة ونتائج الاختبارات، تجاوز محتوى أيون الكلوريد في كل عينة من تربة المنحدر 100 ملغم/كغم، مما يشير إلى تآكل شديد للتربة. بينما تراوح محتوى أيون الكبريتات في المنحدرين الصاعد والهابط بين 200 ملغم/كغم و500 ملغم/كغم، مما يدل على تآكل متوسط ​​للتربة. أما في المنحدر الأوسط، فكان محتوى أيون الكبريتات أقل من 200 ملغم/كغم، مما يشير إلى تآكل ضعيف للتربة. عندما يحتوي وسط التربة على تركيز عالٍ من أيون الكبريتات، فإنه يشارك في التفاعل ويُكوّن طبقة تآكل على سطح القطب المعدني، مما يُبطئ من سرعة التآكل. ومع ازدياد التركيز، قد تنكسر طبقة التآكل فجأة، مما يُسرّع معدل التآكل بشكل كبير؛ ومع استمرار ازدياد التركيز، تُغطي طبقة التآكل سطح القطب المعدني، فيُلاحظ تباطؤ في معدل التآكل مرة أخرى. وقد وجدت الدراسة أن كمية أيون الكبريتات في التربة كانت منخفضة، وبالتالي كان تأثيرها ضئيلاً على التآكل.
وفقًا للجدول 4، أظهر الارتباط بين الميل والأنيونات في التربة وجود ارتباط إيجابي كبير بين الميل وأيونات الكلوريد (R2=0.836)، وارتباط إيجابي كبير بين الميل والأملاح الذائبة الكلية (R2=0.742).
يشير هذا إلى أن جريان المياه السطحية وتآكل التربة قد يكونان مسؤولين عن التغيرات في إجمالي الأملاح الذائبة في التربة. وُجد ارتباط إيجابي قوي بين إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد، وقد يُعزى ذلك إلى أن إجمالي الأملاح الذائبة يُمثل مخزون أيونات الكلوريد، وأن محتوى إجمالي الأملاح الذائبة يُحدد محتوى أيونات الكلوريد في محاليل التربة. لذلك، يُمكننا استنتاج أن اختلاف الميل قد يُسبب تآكلًا شديدًا لجزء الشبكة المعدنية.
تُعدّ المادة العضوية، والنيتروجين الكلي، والنيتروجين المتاح، والفوسفور المتاح، والبوتاسيوم المتاح، من العناصر الغذائية الأساسية للتربة، والتي تؤثر على جودتها وامتصاصها من قِبل الجذور. تُعتبر العناصر الغذائية في التربة عاملاً هاماً يؤثر على الكائنات الدقيقة فيها، لذا يجدر دراسة ما إذا كانت هناك علاقة بين هذه العناصر وتآكل المعادن. وقد اكتمل إنشاء خط سكة حديد سويو في عام 2003، ما يعني أن التربة الاصطناعية لم تشهد سوى تسع سنوات من تراكم المادة العضوية. ونظراً لخصوصية هذه التربة، فمن الضروري فهم العناصر الغذائية فيها فهماً دقيقاً.
تُظهر الأبحاث أن محتوى المادة العضوية يكون في أعلى مستوياته في تربة المنحدرات الطبيعية بعد اكتمال عملية تكوينها، بينما يكون في أدنى مستوياته في تربة المنحدرات المنخفضة. وبسبب تأثير التجوية والجريان السطحي، تتراكم العناصر الغذائية في منتصف المنحدر وأسفله، مُشكّلةً طبقة سميكة من الدبال. ومع ذلك، ونظرًا لصغر حجم جزيئات تربة المنحدرات المنخفضة وضعف استقرارها، تتحلل المادة العضوية بسهولة بواسطة الكائنات الدقيقة. وقد وجدت الدراسة أن الغطاء النباتي والتنوع البيولوجي في منتصف المنحدر وأسفله مرتفعان، لكن تجانسهما منخفض، مما قد يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للعناصر الغذائية السطحية. وتحتفظ طبقة الدبال السميكة بالماء، وتكون الكائنات الحية الدقيقة نشطة، مما يُسرّع من تحلل المادة العضوية في التربة.
كان محتوى النيتروجين المُحلل قلويًا في منحدرات خطوط السكك الحديدية (العلوية والمتوسطة والسفلى) أعلى من محتواه في المنحدر الطبيعي، مما يشير إلى أن معدل تمعدن النيتروجين العضوي في منحدرات خطوط السكك الحديدية أعلى بكثير من معدله في المنحدر الطبيعي. كلما صغر حجم الجزيئات، زادت عدم استقرار بنية التربة، وأصبح من الأسهل على الكائنات الدقيقة تحليل المادة العضوية في التجمعات، وازداد مخزون النيتروجين العضوي المُمعدن.^60،61 وتماشيًا مع نتائج الدراسة رقم 62، كان محتوى تجمعات الجزيئات الصغيرة في تربة منحدرات خطوط السكك الحديدية أعلى بكثير من محتواه في المنحدرات الطبيعية. لذلك، يجب اتخاذ تدابير مناسبة لزيادة محتوى الأسمدة والمواد العضوية والنيتروجين في تربة منحدرات خطوط السكك الحديدية، وتحسين الاستخدام المستدام للتربة. شكل هدر الفوسفور والبوتاسيوم المتاحين الناتج عن الجريان السطحي ما بين 77.27% و99.79% من إجمالي الفقد في منحدرات خطوط السكك الحديدية. قد يكون الجريان السطحي هو المحرك الرئيسي لفقدان العناصر الغذائية المتاحة. في التربة المنحدرة 63، 64، 65.
كما هو موضح في الجدول 4، كانت هناك علاقة ارتباط إيجابية قوية بين موقع المنحدر والفوسفور المتاح (R2=0.948)، وكانت العلاقة بين موقع المنحدر والبوتاسيوم المتاح مماثلة (R2=0.898). وهذا يدل على أن موقع المنحدر يؤثر على محتوى الفوسفور والبوتاسيوم المتاحين في التربة.
يُعدّ التدرج عاملاً هاماً يؤثر على محتوى المادة العضوية في التربة وتخصيبها بالنيتروجين، فكلما قلّ التدرج، زاد معدل التخصيب. بالنسبة لتخصيب التربة بالعناصر الغذائية، كان فقدان العناصر الغذائية أقل، ولم يكن تأثير موقع المنحدر على محتوى المادة العضوية في التربة وتخصيب النيتروجين الكلي واضحاً. تُفرز جذور النباتات، باختلاف أنواعها وأعدادها على المنحدرات المختلفة، أحماضاً عضوية مختلفة. تُفيد الأحماض العضوية في تثبيت الفوسفور والبوتاسيوم المتاحين في التربة. لذلك، وُجد ارتباطٌ وثيق بين موقع المنحدر والفوسفور المتاح، وكذلك بين موقع المنحدر والبوتاسيوم المتاح.
لتوضيح العلاقة بين مغذيات التربة وتآكلها، من الضروري تحليل الارتباط. كما هو موضح في الجدول 5، يرتبط جهد الأكسدة والاختزال ارتباطًا سلبيًا قويًا بالنيتروجين المتاح (R² = -0.845)، وارتباطًا إيجابيًا قويًا بالفوسفور المتاح (R² = 0.842) والبوتاسيوم المتاح (R² = 0.980). يعكس جهد الأكسدة والاختزال جودة الأكسدة والاختزال، والتي تتأثر عادةً ببعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، ومن ثم تؤثر على سلسلة من خصائصها. لذلك، يُعد عاملًا مهمًا في تحديد اتجاه تحول مغذيات التربة. قد تؤدي جودة الأكسدة والاختزال المختلفة إلى حالات مختلفة وتوافر مختلف للعوامل الغذائية. وبالتالي، يرتبط جهد الأكسدة والاختزال ارتباطًا وثيقًا بالنيتروجين المتاح والفوسفور المتاح والبوتاسيوم المتاح.
بالإضافة إلى خصائص المعادن، يرتبط جهد التآكل أيضًا بخصائص التربة. وقد وُجد ارتباط سلبي قوي بين جهد التآكل والمادة العضوية، مما يشير إلى أن للمادة العضوية تأثيرًا كبيرًا على جهد التآكل. علاوة على ذلك، وُجد ارتباط سلبي قوي بين المادة العضوية وتدرج 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. كما وُجد ارتباط سلبي قوي بين درجة حموضة التربة والبوتاسيوم المتاح (R² = -0.728).
ارتبط النيتروجين المتاح ارتباطًا سلبيًا قويًا مع إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد، بينما ارتبط الفوسفور والبوتاسيوم المتاحان ارتباطًا إيجابيًا قويًا مع إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد. يشير هذا إلى أن محتوى العناصر الغذائية المتاحة يؤثر بشكل كبير على كمية إجمالي الأملاح الذائبة وأيونات الكلوريد في التربة، وأن الأنيونات في التربة لا تُسهم في تراكم العناصر الغذائية المتاحة وتوفيرها. كما ارتبط النيتروجين الكلي ارتباطًا سلبيًا قويًا مع أيون الكبريتات، وارتباطًا إيجابيًا قويًا مع البيكربونات، مما يدل على أن النيتروجين الكلي يؤثر على محتوى الكبريتات والبيكربونات. لا تحتاج النباتات إلى كميات كبيرة من أيونات الكبريتات والبيكربونات، لذا فإن معظمها يكون حرًا في التربة أو تمتصه غرويات التربة. تُعزز أيونات البيكربونات تراكم النيتروجين في التربة، بينما تُقلل أيونات الكبريتات من توافر النيتروجين فيها. لذلك، فإن زيادة محتوى النيتروجين المتاح والدبال في التربة بشكل مناسب يُفيد في تقليل تآكل التربة.
التربة نظام ذو تركيب وخصائص معقدة. وتنتج قابلية التربة للتآكل عن تفاعل العديد من العوامل. لذا، يُستخدم عادةً أسلوب تقييم شامل لتقييم قابلية التربة للتآكل. وبالرجوع إلى "قانون التحقيق الهندسي الجيوتقني" (GB50021-94) وطرق اختبار شبكة اختبار تآكل التربة الصينية، يمكن تقييم درجة تآكل التربة بشكل شامل وفقًا للمعايير التالية: (1) يُصنف التآكل على أنه ضعيف، وفي حالة وجود تآكل ضعيف فقط، يُصنف على أنه متوسط ​​أو قوي؛ (2) في حالة عدم وجود تآكل قوي، يُصنف على أنه متوسط؛ (3) في حالة وجود موضع أو موضعين من التآكل القوي، يُصنف على أنه قوي؛ (4) في حالة وجود ثلاثة مواضع أو أكثر من التآكل القوي، يُصنف على أنه شديد.
تم تقييم درجات تآكل عينات التربة على مختلف المنحدرات بشكل شامل بناءً على مقاومة التربة، وجهد الأكسدة والاختزال، ومحتوى الماء، ومحتوى الملح، وقيمة الرقم الهيدروجيني، ومحتوى الكلوريد والكبريتات. وتُظهر نتائج البحث أن التربة على جميع المنحدرات شديدة التآكل.
يُعدّ جهد التآكل عاملاً هاماً يؤثر على تآكل شبكة حماية المنحدرات. جميع جهود التآكل في المنحدرات الثلاثة أقل من -200 ملي فولت، مما يُؤثر بشكلٍ كبير على تآكل الشبكة المعدنية في الجزء العلوي من المنحدر. يُمكن استخدام تدرج الجهد لتقدير شدة التيار الشارد في التربة. يُعدّ التيار الشارد عاملاً هاماً يؤثر على تآكل الشبكة المعدنية في المنحدرات الوسطى والعلوية، وخاصةً في المنحدرات الوسطى. كان إجمالي محتوى الأملاح الذائبة في تربة المنحدرات العلوية والوسطى والسفلية أعلى من 500 مليغرام/كيلوغرام، وكان تأثير التآكل على شبكة حماية المنحدرات متوسطاً. يُعدّ محتوى الماء في التربة عاملاً هاماً يؤثر على تآكل الشبكات المعدنية في المنحدرات الوسطى والسفلى، وله تأثير أكبر على تآكل شبكات حماية المنحدرات. تُعدّ العناصر الغذائية أكثر وفرةً في تربة المنحدرات الوسطى، مما يُشير إلى وجود نشاط ميكروبي متكرر ونمو نباتي سريع.
تُظهر الأبحاث أن جهد التآكل، وتدرج الجهد، ومحتوى الأملاح الذائبة الكلي، ومحتوى الماء هي العوامل الرئيسية المؤثرة على تآكل التربة في المنحدرات الثلاثة، وقد تم تقييم قابلية التربة للتآكل بأنها شديدة. ويُعدّ تآكل شبكة حماية المنحدرات أشدّ ما يكون في المنحدر الأوسط، مما يُوفّر مرجعًا لتصميم شبكة حماية منحدرات السكك الحديدية لمقاومة التآكل. وتُفيد إضافة النيتروجين المتاح والأسمدة العضوية بشكل مناسب في الحدّ من تآكل التربة، وتسهيل نمو النباتات، وفي النهاية تثبيت المنحدر.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: تشين، ج. وآخرون. تأثيرات تكوين التربة والكيمياء الكهربائية على تآكل شبكة المنحدرات الصخرية على طول خط سكة حديد صيني. تقارير العلوم 5، 14939؛ doi: 10.1038/srep14939 (2015).
لين، واي إل ويانغ، جي إل الخصائص الديناميكية لمنحدرات الطبقة التحتية للسكك الحديدية تحت تأثير الزلزال. الكوارث الطبيعية. 69، 219-235 (2013).
سوي وانغ، ج. وآخرون. تحليل الأضرار الزلزالية النموذجية للطرق السريعة في منطقة ونتشوان المنكوبة بالزلزال في مقاطعة سيتشوان [J]. المجلة الصينية لميكانيكا الصخور والهندسة. 28، 1250-1260 (2009).
ويلين، ز.، تشن يو، ل. وجينسونغ، ج. تحليل الأضرار الزلزالية والتدابير المضادة لجسور الطرق السريعة في زلزال ونتشوان. المجلة الصينية لميكانيكا الصخور والهندسة. 28، 1377-1387 (2009).
لين، سي دبليو، ليو، إس إتش، لي، إس واي وليو، سي سي تأثير زلزال تشيتشي على الانهيارات الأرضية الناجمة عن هطول الأمطار اللاحق في وسط تايوان. جيولوجيا الهندسة. 86، 87-101 (2006).
Koi, T. et al. الآثار طويلة المدى للانهيارات الأرضية الناجمة عن الزلازل على إنتاج الرواسب في مستجمعات المياه الجبلية: منطقة تانزاوا، اليابان. علم شكل الأرض. 101، 692-702 (2008).
هونغشواي، ل.، جينغشان، ب. وديدونغ، ل. مراجعة للأبحاث حول تحليل الاستقرار الزلزالي للمنحدرات الجيوتقنية. هندسة الزلازل والاهتزازات الهندسية. 25، 164-171 (2005).
يو بينغ، بحث حول المخاطر الجيولوجية الناجمة عن زلزال ونتشوان في سيتشوان. مجلة الهندسة الجيولوجية 4، 7-12 (2008).
علي، ف. حماية المنحدرات بالنباتات: ميكانيكا جذور بعض النباتات الاستوائية. المجلة الدولية للعلوم الفيزيائية. 5، 496-506 (2010).
تاكيو، م.، أيبا، إس آي وكيتاياما، ك. التأثيرات الطبوغرافية على الغابات الجبلية الاستوائية المنخفضة في ظل ظروف جيولوجية مختلفة في جبل كينابالو، بورنيو. علم البيئة النباتية. 159، 35-49 (2002).
Stokes, A. et al. خصائص جذور النباتات المثالية لحماية المنحدرات الطبيعية والهندسية من الانهيارات الأرضية. النباتات والتربة، 324، 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Effects of grass roots on topsoil erodibility during focused flow.Geomorphology 76, 54–67 (2006).