Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка за CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да изключите режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще показваме сайта без стилове и JavaScript.
Като обект на изследване е железопътният склон Суй-Чонгцин, са наблюдавани съпротивление на почвата, електрохимия на почвата (корозионен потенциал, редокс потенциал, градиент на потенциала и pH), почвени аниони (общо разтворими соли, Cl-, SO42- и) и хранителни вещества на почвата (съдържание на влага, органична материя, общ азот, алкално-хидролизиран азот, наличен фосфор, наличен калий). При различни наклони степента на корозия се оценява според индивидуалните индикатори и комплексните индикатори на изкуствената почва. В сравнение с други фактори, водата има най-голямо влияние върху корозията на защитната мрежа за склонове, следвана от съдържанието на аниони. Общото количество разтворими соли има умерен ефект върху корозията на защитната мрежа за склонове, а блуждаещият ток има умерен ефект върху корозията на защитната мрежа за склонове. Степента на корозия на почвените проби е оценена комплексно и корозията на горния склон е умерена, а на средния и долния склон е силна. Органичната материя в почвата е значително корелирана с градиента на потенциала. Наличният азот, наличният калий и наличният фосфор са значително корелирани с анионите. Разпределението на почвените хранителни вещества е косвено свързано с типа на склона.
При изграждането на железопътни линии, магистрали и съоръжения за опазване на водите, планинските отвори често са неизбежни. Поради планините в югозападната част на страната, железопътното строителство в Китай изисква много изкопни работи в планината. Това унищожава оригиналната почва и растителност, създавайки открити скалисти склонове. Тази ситуация води до свлачища и ерозия на почвата, като по този начин застрашава безопасността на железопътния транспорт. Свлачищата са вредни за пътния трафик, особено след земетресението в Уенчуан на 12 май 2008 г. Свлачищата са се превърнали в широко разпространено и сериозно земетресение. При оценката от 2008 г. на 4243 километра ключови магистрални пътища в провинция Съчуан е имало 1736 тежки земетресения в пътните настилки и подпорните стени на склоновете, което представлява 39,76% от общата дължина на оценката. Преките икономически загуби от щети по пътищата надхвърлят 58 милиарда юана 2,3. Глобалните примери показват, че геоложките опасности след земетресението могат да продължат поне 10 години (земетресението в Тайван) и дори 40-50 години (земетресението в Канто в Япония) 4,5. Градиентът е основният фактор, влияещ върху опасността от земетресение 6,7. Следователно е необходимо да се поддържа наклонът на пътя и да се укрепва неговата стабилност. Растенията играят незаменима роля в защитата на склоновете и екологичното възстановяване на ландшафта 8. В сравнение с обикновените почвени склонове, скалните склонове нямат натрупване на хранителни фактори като органична материя, азот, фосфор и калий и нямат почвената среда, необходима за растежа на растителността. Поради фактори като голям наклон и ерозия от дъждове, почвата по склона лесно се губи. Средата на склона е сурови, липсват необходимите условия за растеж на растенията, а почвата на склона няма поддържаща стабилност9. Пръскането на склон с основен материал за покриване на почвата и защита на склона е често използвана технология за екологично възстановяване на склонове в моята страна. Изкуствената почва, използвана за пръскане, е съставена от натрошен камък, земеделска почва, слама, комбиниран тор, водозадържащ агент и лепило (често използваните лепила включват портланд цимент, органично лепило и асфалтов емулгатор) в определено съотношение. Техническият процес е: първо се полага бодлива тел върху скалата, след това бодливата тел се фиксира с нитове и анкерни болтове и накрая се напръсква изкуствена почва, съдържаща семена, върху склона със специална пръскачка. Най-често се използва метална мрежа с форма на диамант 14#, която е изцяло поцинкована, със стандартен размер на мрежата 5 см × 5 см и диаметър 2 мм. Металната мрежа позволява на почвената матрица да образува трайна монолитна плоча върху повърхността на скалата. Металната мрежа ще корозира в почвата, тъй като самата почва е електролит и степента на корозия зависи от характеристиките на почвата. Оценката на факторите на корозия на почвата е от голямо значение за оценка на ерозията на металната мрежа, предизвикана от почвата, и за елиминиране на свлачищата. опасности.
Смята се, че корените на растенията играят решаваща роля в стабилизирането на склоновете и контрола на ерозията10,11,12,13,14. За стабилизиране на склоновете срещу плитки свлачища може да се използва растителност, защото корените на растенията могат да фиксират почвата, за да предотвратят свлачища15,16,17. Дървесната растителност, особено дърветата, помага за предотвратяване на плитки свлачища18. Здрава защитна структура, образувана от вертикалните и страничните коренови системи на растенията, които действат като подсилващи пилоти в почвата. Развитието на моделите на кореновата архитектура се обуславя от гени, а почвената среда играе решаваща роля в тези процеси. Корозията на металите варира в зависимост от почвената среда20. Степента на корозия на металите в почвата може да варира от сравнително бързо разтваряне до незначително въздействие21. Изкуствената почва е много различна от истинската „почва“. Образуването на естествени почви е резултат от взаимодействия между външната среда и различни организми в продължение на десетки милиони години22,23,24. Преди дървесната растителност да образува стабилна коренова система и екосистема, дали металната мрежа, комбинирана със скалния склон и изкуствената почва, може да функционира безопасно, е пряко свързано с развитието на естествената икономика, безопасността на живота и подобряването на екологичната среда.
Корозията на металите обаче може да доведе до огромни загуби. Според проучване, проведено в Китай в началото на 80-те години на миналия век върху химическото машиностроене и други индустрии, загубите, причинени от корозия на металите, представляват 4% от общата стойност на продукцията. Следователно е от голямо значение да се проучи механизмът на корозия и да се предприемат защитни мерки за икономично строителство. Почвата е сложна система от газове, течности, твърди вещества и микроорганизми. Микробните метаболити могат да корозират материалите, а блуждаещите токове също могат да причинят корозия. Следователно е важно да се предотврати корозията на металите, заровени в почвата. В момента изследванията върху корозията на заровените метали се фокусират главно върху (1) фактори, влияещи върху корозията на заровените метали25; (2) методи за защита на металите26,27; (3) методи за оценка на степента на корозия на металите28; Корозия в различни среди. Всички почви в изследването обаче са естествени и са претърпели достатъчни процеси на почвообразуване. Няма обаче данни за изкуствена ерозия на почвата по скалните склонове на железопътните линии.
В сравнение с други корозивни среди, изкуствената почва има характеристиките на неликвидност, хетерогенност, сезонност и регионалност. Корозията на металите в изкуствените почви се причинява от електрохимични взаимодействия между металите и изкуствените почви. В допълнение към вродените фактори, скоростта на корозия на металите зависи и от околната среда. Разнообразие от фактори влияят върху корозията на металите поотделно или в комбинация, като например съдържание на влага, съдържание на кислород, общо съдържание на разтворими соли, съдържание на аниони и метални йони, pH, почвени микроби30,31,32.
В 30-годишна практика въпросът как трайно да се запазят изкуствените почви върху скалисти склонове е проблем33. Храсти или дървета не могат да растат по някои склонове след 10 години ръчна грижа поради ерозия на почвата. Мръсотията по повърхността на металната мрежа е била отмита на някои места. Поради корозия някои метални мрежи са се напукали и са загубили цялата почва над и под тях (Фигура 1). В момента изследванията върху корозията на железопътните склонове се фокусират главно върху корозията на заземителната мрежа на железопътните подстанции, корозията от блуждаещи токове, генерирани от лекия железопътен транспорт, и корозията на железопътните мостове34,35, релси и друго оборудване на превозните средства36. Няма съобщения за корозия на металната мрежа за защита на железопътните склонове. Тази статия изследва физичните, химичните и електрохимичните свойства на изкуствените почви по югозападния скален склон на железопътната линия Суйю, като има за цел да се предвиди корозията на метала чрез оценка на свойствата на почвата и да се предостави теоретична и практическа основа за възстановяване на почвената екосистема и изкуствено възстановяване. Изкуствен склон.
Тестовият участък се намира в хълмистата местност на Съчуан (30°32′N, 105°32′E) близо до жп гара Суининг. Районът е разположен в средата на басейна на Съчуан, с ниски планини и хълмове, с проста геоложка структура и равен терен. Ерозията, разрязването и натрупването на вода създават ерозирани хълмисти пейзажи. Основата е предимно варовик, а покривната скала е предимно лилав пясък и кал. Целостта е лоша, а скалата е с блокова структура. Изследваният район има субтропичен влажен мусонен климат със сезонни характеристики на ранна пролет, горещо лято, кратка есен и късна зима. Валежите са изобилни, светлинните и топлинните ресурси са в изобилие, периодът без замръзване е дълъг (средно 285 дни), климатът е мек, средната годишна температура е 17,4°C, средната температура на най-горещия месец (август) е 27,2°C, а екстремната максимална температура е 39,3°C. Най-студеният месец е януари (средна температура е 6,5°C), екстремната минимална... Температурата е -3,8°C, а средногодишните валежи са 920 мм, концентрирани главно през юли и август. Валежите през пролетта, лятото, есента и зимата варират значително. Делът на валежите във всеки сезон от годината е съответно 19-21%, 51-54%, 22-24% и 4-5%.
Изследователският обект е наклон с около 45° по склона на железопътната линия Ю-Суй, построена през 2003 г. През април 2012 г. е бил обърнат на юг, на 1 км от жп гара Суининг. Естественият склон беше използван като контрола. Екологичното възстановяване на склона използва чуждестранна технология за пръскане на почвата с горна обработка. Според височината на склона от страната на железопътната линия, склонът може да бъде разделен на нагоре по склона, среден склон и низходящ склон (фиг. 2). Тъй като дебелината на изкуствената почва на изсечения склон е около 10 см, за да се избегне замърсяването от продуктите от корозията на металната мрежа на почвата, използваме само лопата от неръждаема стомана, за да вземем повърхността на почвата от 0-8 см. За всяка позиция на склона бяха поставени четири повторения, с 15-20 произволни точки за вземане на проби на повторение. Всяко повторение е смес от 15-20 произволно определени точки за вземане на проби от S-образна линия. Свежо тегло е около 500 грама. Пробите се връщат в лабораторията в полиетиленови торбички с цип за обработка. Почвата се суши по естествен начин на въздух, а чакълът и животинските и растителните остатъци се отделят, смачкват се с ахатна пръчка и се пресяват с найлоново сито с размери 20 и 100, с изключение на едрите частици.
Съпротивлението на почвата беше измерено с тестер за заземително съпротивление VICTOR4106, произведен от Shengli Instrument Company; съпротивлението на почвата беше измерено на място; влажността на почвата беше измерена чрез метода на сушене. Преносимият цифров mv/pH инструмент DMP-2 се отличава с висок входен импеданс за измерване на потенциала на корозия на почвата. Градиентът на потенциала и редокс потенциалът бяха определени с преносимия цифров mv/pH DMP-2, общата разтворима сол в почвата беше определена чрез метода на сушене на остатъци, съдържанието на хлоридни йони в почвата беше определено чрез метода на титруване с AgNO3 (метод на Mohr), съдържанието на сулфати в почвата беше определено чрез метода на индиректно титруване с EDTA, метод на двойно индикаторно титруване за определяне на почвени карбонати и бикарбонати, метод на нагряване с калиев дихромат за определяне на органичното вещество в почвата, метод на дифузия с алкален разтвор за определяне на азот от алкална хидролиза в почвата, колориметричен метод за разграждане с H2SO4-HClO4 и Mo-Sb. Общото съдържание на фосфор в почвата и наличното съдържание на фосфор в почвата бяха определени по метода на Olsen (0,05 mol/L разтвор на NaHCO3 като екстрагент), а общото съдържание на калий в почвата беше определено чрез фотометрия с пламъково-фузионен натриев хидроксид.
Експерименталните данни първоначално бяха систематизирани. SPSS Statistics 20 беше използван за извършване на анализ на средни стойности, стандартно отклонение, еднофакторен ANOVA и корелационен анализ при хора.
Таблица 1 представя електромеханичните свойства, анионите и хранителните вещества на почвите с различни наклони. Корозионният потенциал, съпротивлението на почвата и потенциалният градиент изток-запад на различните наклони са значителни (P < 0,05). Редокс потенциалите на спускане, среден склон и естествен наклон са значителни (P < 0,05). Потенциалният градиент, перпендикулярен на релсата, т.е. потенциалният градиент север-юг, е нагоре по склона>надолу по склона>среден склон. Стойността на pH на почвата е в реда надолу по склона>нагоре>среден склон>естествен наклон. Общото съдържание на разтворими соли в естествения наклон е значително по-високо от това в железопътния наклон (P < 0,05). Общото съдържание на разтворими соли в почвата на железопътния наклон третокласен е над 500 mg/kg, а общото съдържание на разтворими соли има умерен ефект върху корозията на металите. Съдържанието на органични вещества в почвата е най-високо в естествения склон и най-ниско в спускащия се склон (P < 0,05). Общото съдържание на азот е най-високо в средния склон и най-ниско в нагоре по склона; Съдържанието на наличен азот е било най-високо в низходящия и средния склон, а най-ниско в естествения склон; общото съдържание на азот във възходящия и низходящия склон на железопътната линия е било по-ниско, но съдържанието на наличен азот е било по-високо. Това показва, че скоростта на минерализация на органичния азот при изкачване и спускане е бърза. Съдържанието на наличен калий е същото като наличния фосфор.
Съпротивлението на почвата е индекс, показващ електрическата проводимост и основен параметър за оценка на корозията на почвата. Факторите, влияещи върху съпротивлението на почвата, включват съдържание на влага, общо съдържание на разтворими соли, pH, текстура на почвата, температура, съдържание на органични вещества, температура на почвата и плътност. Най-общо казано, почвите с ниско съпротивление са по-корозивни и обратно. Използването на съпротивление за оценка на корозивността на почвата е метод, често използван в различни страни. Таблица 1 показва критериите за оценка на степента на корозивност за всеки отделен индекс37,38.
Според резултатите от тестовете и стандартите в моята страна (Таблица 1), ако корозивността на почвата се оценява само чрез съпротивлението на почвата, почвата по наклона нагоре е силно корозивна; почвата по наклона надолу е умерено корозивна; корозивността на почвата по средния склон и естествения склон е относително ниска до слаба.
Съпротивлението на почвата на наклона нагоре е значително по-ниско от това на други части на склона, което може да е причинено от дъждовна ерозия. Горният почвен слой на наклона нагоре се оттича към средния склон с водата, така че металната защитна мрежа за наклона нагоре е близо до горния почвен слой. Някои от металните мрежи бяха открити и дори висяха във въздуха (Фигура 1). Съпротивлението на почвата е измерено на място; разстоянието между пилотите е 3 м; дълбочината на забиване на пилотите е под 15 см. Голата метална мрежа и лющещата се ръжда могат да повлияят на резултатите от измерването. Следователно е ненадеждно да се оценява корозивността на почвата само чрез индекса на съпротивление на почвата. При цялостната оценка на корозията съпротивлението на почвата нагоре не се взема предвид.
Поради високата относителна влажност, постоянно влажният въздух в района на Съчуан кара металната мрежа, изложена на въздух, да корозира по-сериозно, отколкото металната мрежа, заровена в почвата39. Излагането на телената мрежа на въздух може да доведе до намаляване на експлоатационния ѝ живот, което може да дестабилизира почвите нагоре по склона. Загубата на почва може да затрудни растежа на растенията, особено на дървесните. Поради липсата на дървесни растения е трудно да се образува коренова система нагоре по склона, която да втвърди почвата. В същото време растежът на растенията може също да подобри качеството на почвата и да увеличи съдържанието на хумус в нея, което не само може да задържа вода, но и да осигури добра среда за растеж и размножаване на животни и растения, като по този начин се намалява загубата на почва. Следователно, в ранния етап на строителството, по склона нагоре по склона трябва да се засяват повече дървесни семена, като непрекъснато се добавя водозадържащ агент и се покрива с фолио за защита, за да се намали ерозията на почвата нагоре по склона от дъждовната вода.
Корозионният потенциал е важен фактор, влияещ върху корозията на защитната мрежа за склонове на тристепенния склон и има най-голямо въздействие върху нагоре по склона (Таблица 2). При нормални условия, корозионният потенциал не се променя много в дадена среда. Забележима промяна може да бъде причинена от блуждаещи токове. Блуждаещите токове се отнасят до токове 40, 41, 42, които проникват в пътното платно и почвената среда, когато превозните средства използват системата за обществен транспорт. С развитието на транспортната система, железопътната транспортна система на моята страна е постигнала мащабна електрификация и корозията на заровени метали, причинена от изтичане на постоянен ток от електрифицирани железопътни линии, не може да бъде пренебрегната. В момента градиентът на почвения потенциал може да се използва за определяне дали почвата съдържа смущения от блуждаещи токове. Когато градиентът на потенциала на повърхностната почва е по-нисък от 0,5 mv/m, блуждаещият ток е нисък; когато градиентът на потенциала е в диапазона от 0,5 mv/m до 5,0 mv/m, блуждаещият ток е умерен; Когато градиентът на потенциала е по-голям от 5,0 mv/m, нивото на блуждаещия ток е високо. Плаващият диапазон на градиента на потенциала (EW) на средния склон, нагоре по склона и надолу по склона е показан на Фигура 3. По отношение на плаващия диапазон, има умерени блуждаещи токове в посока изток-запад и север-юг на средния склон. Следователно, блуждаещият ток е важен фактор, влияещ върху корозията на металните мрежи в средния и надолу по склона, особено в средния склон.
Обикновено, редокс потенциалът на почвата (Eh) над 400 mV показва окислителна способност, над 0-200 mV е средна редукционна способност, а под 0 mV е голяма редукционна способност. Колкото по-нисък е редокс потенциалът на почвата, толкова по-голяма е корозионната способност на почвените микроорганизми към метали44. Възможно е да се предвиди тенденцията на микробна корозия на почвата от редокс потенциала. Проучването установи, че редокс потенциалът на почвата на трите склона е по-голям от 500 mv, а нивото на корозия е много малко. Това показва, че състоянието на вентилация на почвата на склона е добро, което не е благоприятно за корозия на анаеробни микроорганизми в почвата.
Предишни проучвания са установили, че влиянието на pH на почвата върху ерозията на почвата е очевидно. С колебанието на pH стойността, скоростта на корозия на металните материали е значително повлияна. PH на почвата е тясно свързано с района и микроорганизмите в почвата45,46,47. Най-общо казано, влиянието на pH на почвата върху корозията на металните материали в леко алкална почва не е очевидно. Почвите на трите железопътни склона са алкални, така че влиянието на pH върху корозията на металната мрежа е слабо.
Както може да се види от Таблица 3, корелационният анализ показва, че редокс потенциалът и позицията на наклона са значително положително корелирани (R2 = 0.858), корозионният потенциал и потенциалният градиент (SN) са значително положително корелирани (R2 = 0.755), а редокс потенциалът и потенциалният градиент (SN) са значително положително корелирани (R2 = 0.755). Наблюдавана е значителна отрицателна корелация между потенциала и pH (R2 = -0,724). Положението на наклона е значително положително корелирано с редокс потенциала. Това показва, че има разлики в микросредата на различните позиции на наклона и почвените микроорганизми са тясно свързани с редокс потенциала48, 49, 50. Редокс потенциалът е значително отрицателно корелиран с pH51,52. Тази връзка показва, че стойностите на pH и Eh не винаги се променят синхронно по време на редокс процеса на почвата, а имат отрицателна линейна връзка. Корозионният потенциал на метала може да представлява относителната способност за получаване и загуба на електрони. Въпреки че корозионният потенциал е значително положително корелиран с градиента на потенциала (SN), градиентът на потенциала може да е причинен от лесната загуба на електрони от метала.
Общото съдържание на разтворими соли в почвата е тясно свързано с корозивността на почвата. Най-общо казано, колкото по-висока е солеността на почвата, толкова по-ниско е съпротивлението на почвата, като по този начин се увеличава нейното съпротивление. В почвените електролити не само анионите и техните различни диапазони, но и корозивните влияния са главно карбонати, хлориди и сулфати. Освен това, общото съдържание на разтворими соли в почвата косвено влияе върху корозията чрез влиянието на други фактори, като например ефекта на електродния потенциал в металите и разтворимостта на кислород в почвата53.
Повечето от разтворимите, дисоциирани от соли йони в почвата не участват директно в електрохимични реакции, но влияят на корозията на метала чрез съпротивлението на почвата. Колкото по-висока е солеността на почвата, толкова по-силна е проводимостта на почвата и толкова по-силна е ерозията на почвата. Съдържанието на соленост на почвата в естествените склонове е значително по-високо от това на железопътните склонове, което може да се дължи на факта, че естествените склонове са богати на растителност, което е благоприятно за опазване на почвата и водата. Друга причина може да е, че естественият склон е претърпял зряло почвообразуване (почвена основа, образувана от изветряне на скали), но почвата на железопътния склон е съставена от фрагменти от натрошен камък като матрица на „изкуствена почва“ и не е претърпяла достатъчен процес на почвообразуване. Минералите не се освобождават. Освен това, солевите йони в дълбоката почва на естествените склонове са се издигнали чрез капилярно действие по време на повърхностното изпарение и са се натрупали в повърхностната почва, което е довело до увеличаване на съдържанието на солеви йони в повърхностната почва. Дебелината на почвата на железопътния склон е по-малка от 20 см, което води до невъзможност на горния почвен слой да допълни солта от дълбоката почва.
Положителните йони (като K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и др.) имат малък ефект върху корозията на почвата, докато анионите играят значителна роля в електрохимичния процес на корозия и имат значително влияние върху корозията на метала. Cl− може да ускори корозията на анода и е най-корозивният анион; колкото по-високо е съдържанието на Cl−, толкова по-силна е корозията на почвата. SO42− не само насърчава корозията на стоманата, но и причинява корозия в някои бетонни материали54. Също така корозира желязото. В серия от експерименти с киселинна почва е установено, че скоростта на корозия е пропорционална на киселинността на почвата55. Хлоридът и сулфатът са основните компоненти на разтворимите соли, които могат директно да ускорят кавитацията на металите. Проучванията показват, че загубата на тегло от корозия на въглеродна стомана в алкални почви е почти пропорционална на добавянето на хлоридни и сулфатни йони56,57. Lee et al. установяват, че SO42- може да възпрепятства корозията, но да насърчава развитието на вече образувани корозионни ями58.
Според стандарта за оценка на корозивността на почвата и резултатите от тестовете, съдържанието на хлоридни йони във всяка почвена проба от склона е над 100 mg/kg, което показва силна корозивност на почвата. Съдържанието на сулфатни йони както на изкачващите, така и на спускащите се склонове е над 200 mg/kg и под 500 mg/kg, а почвата е умерено корозирала. Съдържанието на сулфатни йони в средния склон е по-ниско от 200 mg/kg, а корозията на почвата е слаба. Когато почвената среда съдържа висока концентрация, те ще участват в реакцията и ще образуват корозионен слой върху повърхността на металния електрод, като по този начин забавят корозивната реакция. С увеличаването на концентрацията, слойът може внезапно да се счупи, като по този начин значително се ускори скоростта на корозия; с продължаващото увеличаване на концентрацията, корозивният слой покрива повърхността на металния електрод и скоростта на корозия отново показва тенденция на забавяне. Проучването установи, че количеството в почвата е по-ниско и следователно има малък ефект върху корозията.
Според Таблица 4, корелацията между наклона и почвените аниони показва, че има значителна положителна корелация между наклона и хлоридните йони (R2=0.836) и значителна положителна корелация между наклона и общите разтворими соли (R2=0.742).
Това предполага, че повърхностният отток и ерозията на почвата може да са причина за промените в общото количество разтворими соли в почвата. Наблюдавана е значителна положителна корелация между общото количество разтворими соли и хлоридните йони, което може да се дължи на факта, че общото количество разтворими соли е пулът на хлоридните йони, а съдържанието на общото количество разтворими соли определя съдържанието на хлоридни йони в почвените разтвори. Следователно можем да знаем, че разликата в наклона може да причини сериозна корозия на металната мрежеста част.
Органичната материя, общият азот, наличният азот, наличният фосфор и наличният калий са основните хранителни вещества в почвата, които влияят върху качеството на почвата и усвояването на хранителни вещества от кореновата система. Хранителните вещества в почвата са важен фактор, влияещ върху микроорганизмите в нея, така че си струва да се проучи дали има връзка между хранителните вещества в почвата и корозията на металите. Железопътната линия Суйю е завършена през 2003 г., което означава, че изкуствената почва е преживяла само 9 години натрупване на органична материя. Поради особеностите на изкуствената почва е необходимо да се има добро разбиране за хранителните вещества в нея.
Изследването показва, че съдържанието на органична материя е най-високо в почвата по естествения склон след целия процес на почвообразуване. Съдържанието на органична материя в почвата с нисък наклон е най-ниско. Поради влиянието на атмосферните влияния и повърхностния отток, хранителните вещества в почвата се натрупват в средната и долната част на склона, образувайки дебел слой хумус. Поради малките частици и лошата стабилност на почвата с нисък наклон обаче, органичната материя се разлага лесно от микроорганизми. Проучването установи, че растителното покритие и разнообразие в средната и долната част на склона са високи, но хомогенността е ниска, което може да доведе до неравномерно разпределение на повърхностните хранителни вещества. Дебелият слой хумус задържа вода и почвените организми са активни. Всичко това ускорява разграждането на органичната материя в почвата.
Съдържанието на алкално-хидролизиран азот в железопътните линии нагоре, в средния и низходящия склон е по-високо от това в естествения склон, което показва, че скоростта на минерализация на органичния азот в железопътния склон е значително по-висока от тази в естествения склон. Колкото по-малки са частиците, толкова по-нестабилна е почвената структура, толкова по-лесно е за микроорганизмите да разграждат органичната материя в агрегатите и толкова по-голям е запасът от минерализиран органичен азот60,61. В съответствие с резултатите от проучването62, съдържанието на малки агрегати от частици в почвата на железопътните склонове е значително по-високо от това в естествените склонове. Следователно, трябва да се вземат подходящи мерки за увеличаване на съдържанието на торове, органична материя и азот в почвата на железопътния склон и за подобряване на устойчивото използване на почвата. Загубата на наличен фосфор и наличен калий, причинена от повърхностния отток, представлява от 77,27% до 99,79% от общата загуба на железопътния склон. Повърхностният отток може да е основният двигател на загубата на налични хранителни вещества в почвите по склоновете63,64,65.
Както е показано в Таблица 4, има значителна положителна корелация между положението на склона и наличния фосфор (R2=0.948), а корелацията между положението на склона и наличния калий е същата (R2=0.898). Това показва, че положението на склона влияе върху съдържанието на наличен фосфор и наличен калий в почвата.
Градиентът е важен фактор, влияещ върху съдържанието на органична материя в почвата и обогатяването ѝ с азот66, и колкото по-малък е градиентът, толкова по-голяма е степента на обогатяване. При обогатяване на почвата с хранителни вещества, загубата на хранителни вещества е отслабена и ефектът от положението на склона върху съдържанието на органична материя в почвата и общото обогатяване с азот не е очевиден. Различните видове и брой растения на различни склонове имат различни органични киселини, секретирани от корените на растенията. Органичните киселини са полезни за фиксирането на наличния фосфор и наличния калий в почвата. Следователно, съществува значителна корелация между положението на склона и наличния фосфор, както и положението на склона и наличния калий.
За да се изясни връзката между почвените хранителни вещества и почвената корозия, е необходимо да се анализира корелацията. Както е показано в Таблица 5, редокс потенциалът е значително отрицателно корелиран с наличния азот (R2 = -0,845) и значително положително корелиран с наличния фосфор (R2 = 0,842) и наличния калий (R2 = 0,980). Редокс потенциалът отразява качеството на редокса, което обикновено се влияе от някои физични и химични свойства на почвата и след това влияе върху редица свойства на почвата. Следователно, той е важен фактор за определяне на посоката на трансформация на почвените хранителни вещества67. Различните редокс качества могат да доведат до различни състояния и наличност на хранителни фактори. Следователно, редокс потенциалът има значителна корелация с наличния азот, наличния фосфор и наличния калий.
В допълнение към свойствата на металите, корозионният потенциал е свързан и със свойствата на почвата. Корозионният потенциал е значително отрицателно корелиран с органичната материя, което показва, че органичната материя има значителен ефект върху корозионния потенциал. Освен това, органичната материя е значително отрицателно корелирана и с потенциалния градиент (SN) (R2=-0.713) и сулфатния йон (R2=-0.671), което показва, че съдържанието на органична материя също влияе върху потенциалния градиент (SN) и сулфатния йон. Наблюдавана е значителна отрицателна корелация между pH на почвата и наличния калий (R2 = -0.728).
Наличният азот е значително отрицателно корелиран с общите разтворими соли и хлоридни йони, а наличният фосфор и наличният калий са значително положително корелирани с общите разтворими соли и хлоридни йони. Това показва, че съдържанието на налични хранителни вещества значително влияе върху количеството на общите разтворими соли и хлоридни йони в почвата, а анионите в почвата не са благоприятствали натрупването и снабдяването с налични хранителни вещества. Общият азот е значително отрицателно корелиран със сулфатния йон и значително положително корелира с бикарбоната, което показва, че общият азот има влияние върху съдържанието на сулфат и бикарбонат. Растенията имат малка нужда от сулфатни йони и бикарбонатни йони, така че повечето от тях са свободни в почвата или се абсорбират от почвените колоиди. Бикарбонатните йони благоприятстват натрупването на азот в почвата, а сулфатните йони намаляват наличието на азот в почвата. Следователно, подходящото увеличаване на съдържанието на наличен азот и хумус в почвата е полезно за намаляване на корозивността на почвата.
Почвата е система със сложен състав и свойства. Корозивността на почвата е резултат от синергичното действие на много фактори. Следователно, за да се оцени корозивността на почвата, обикновено се използва цялостен метод за оценка. Съгласно „Кодекс за геотехнически инженерни изследвания“ (GB50021-94) и методите за изпитване на Китайската мрежа за изпитване на корозия на почвата, степента на корозивност на почвата може да бъде цялостно оценена съгласно следните стандарти: (1) Оценката е слаба корозия, ако е само слаба корозия, няма умерена корозия или силна корозия; (2) ако няма силна корозия, се оценява като умерена корозия; (3) ако има едно или две места на силна корозия, се оценява като силна корозия; (4) ако има 3 или повече места на силна корозия, се оценява като силна корозия за силна корозия.
Според съпротивлението на почвата, редокс потенциала, водното съдържание, съдържанието на соли, pH стойността и съдържанието на Cl и SO42, степените на корозия на почвените проби от различни склонове бяха цялостно оценени. Резултатите от изследването показват, че почвите по всички склонове са силно корозивни.
Корозионният потенциал е важен фактор, влияещ върху корозията на защитната мрежа за склонове. Корозионните потенциали на трите склона са по-ниски от -200 mV, което има най-голямо влияние върху корозията на металната мрежа нагоре по склона. Градиентът на потенциала може да се използва за оценка на величината на блуждаещия ток в почвата. Блуждаещият ток е важен фактор, влияещ върху корозията на металната мрежа по средните склонове и нагоре по склоновете, особено по средните склонове. Общото съдържание на разтворими соли в почвите на горния, средния и долния склон е било над 500 mg/kg, а корозионният ефект върху защитната мрежа за склонове е бил умерен. Съдържанието на вода в почвата е важен фактор, влияещ върху корозията на металните мрежи по средния и низходящия склон, и има по-голямо влияние върху корозията на защитните мрежи за склонове. Хранителните вещества са най-изобилни в почвата по средния склон, което показва, че има честа микробна активност и бърз растеж на растенията.
Изследването показва, че корозионният потенциал, градиентът на потенциала, общото съдържание на разтворими соли и съдържанието на вода са основните фактори, влияещи върху корозията на почвата по трите склона, а корозивността на почвата се оценява като силна. Корозията на защитната мрежа за склонове е най-сериозна в средния склон, което предоставя отправна точка за антикорозионния дизайн на защитната мрежа за железопътни склонове. Подходящото добавяне на наличен азот и органични торове е полезно за намаляване на корозията на почвата, улесняване на растежа на растенията и накрая стабилизиране на склона.
Как да цитирате тази статия: Chen, J. et al. Влияние на състава на почвата и електрохимията върху корозията на мрежата от скални склонове по протежение на китайска железопътна линия. science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Лин, Ю.Л. и Янг, Г.Л. Динамични характеристики на склоновете на железопътната основа при възбуждане от земетресение. Природно бедствие. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Анализ на типичните щети от земетресение по магистрали в засегнатия от земетресението район Уенчуан в провинция Съчуан [J]. Китайски журнал за скална механика и инженерство. 28, 1250–1260 (2009).
Вейлин, З., Женю, Л. и Джинсонг, Дж. Анализ на сеизмичните щети и контрамерки на магистрални мостове при земетресението в Уенчуан. Китайски журнал за скална механика и инженерство. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Влиянието на земетресението в Чичи върху свлачищата, предизвикани от последващи валежи в централен Тайван. Инженерна геология. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Дългосрочни ефекти от предизвикани от земетресения свлачища върху производството на седименти в планински водосбор: регион Танзава, Япония. geomorphology.101, 692–702 (2008).
Хонгшуай, Л., Джингшан, Б. и Дедонг, Л. Преглед на изследванията върху анализа на сеизмичната стабилност на геотехнически склонове. Земетресение и инженерни вибрации. 25, 164–171 (2005).
Юе Пинг, Изследване на геоложки опасности, причинени от земетресението във Уенчуан, Съчуан. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Али, Ф. Защита на склонове с растителност: коренова механика на някои тропически растения. Международно списание за физически науки. 5, 496–506 (2010).
Такю, М., Айба, С. И. и Китаяма, К. Топографски ефекти върху тропическите нископланински гори при различни геоложки условия в планината Кинабалу, Борнео. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Идеални характеристики на корените на растенията за защита на естествени и изкуствени склонове от свлачища. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Влияние на корените на тревата върху ерозионността на горния почвен слой по време на концентриран поток. Geomorphology 76, 54–67 (2006).