תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
בהתחשב במדרון מסילת הרכבת סוי-צ'ונגצ'ינג כאובייקט המחקר, נבדקו התנגדות הקרקע, אלקטרוכימיה של הקרקע (פוטנציאל קורוזיה, פוטנציאל חמצון-חיזור, גרדיאנט פוטנציאלי ו-pH), אניוני הקרקע (מלחים מסיסים כוללים, Cl-, SO42- ו-) ותזונת הקרקע (תכולת לחות, חומר אורגני, חנקן כולל, חנקן שעבר הידרוליזה בסיסית, זרחן זמין, אשלגן זמין). תחת שיפועים שונים, דרגת הקורוזיה מוערכת על פי האינדיקטורים האישיים ומדדים מקיפים של קרקע מלאכותית. בהשוואה לגורמים אחרים, למים יש את ההשפעה הגדולה ביותר על קורוזיית רשת ההגנה על המדרון, ואחריהם תכולת האניונים. למלח המסיס הכולל יש השפעה מתונה על קורוזיית רשת ההגנה על המדרון, ולזרם תועה יש השפעה מתונה על קורוזיה של רשת ההגנה על המדרון. דרגת הקורוזיה של דגימות הקרקע הוערכה באופן מקיף, והקורוזיה במדרון העליון הייתה בינונית, והקורוזיה במדרונות האמצעיים והתחתונים הייתה חזקה. החומר האורגני בקרקע נמצא בקורלציה משמעותית עם גרדיאנט הפוטנציאלי. חנקן זמין, אשלגן זמין וזרחן זמין נמצאו בקורלציה משמעותית עם אניונים. פיזור חומרי המזון בקרקע קשור בעקיפין לסוג המדרון.
בעת בניית מסילות ברזל, כבישים מהירים ומתקני שימור מים, פתחים בהרים לרוב בלתי נמנעים. בשל ההרים בדרום מערב סין, בניית מסילות ברזל בסין דורשת חפירה רבה של ההר. זה הורס את הקרקע והצמחייה המקוריות, ויוצר מדרונות סלעיים חשופים. מצב זה מוביל למפולות וסחף קרקע, ובכך מאיים על בטיחות התחבורה ברכבת. מפולות אדמה מזיקות לתנועת כבישים, במיוחד לאחר רעידת האדמה בוונצ'ואן ב-12 במאי 2008. מפולות אדמה הפכו לאסון רעידת אדמה נפוץ וחמור. בהערכה של 4,243 קילומטרים של כבישים ראשיים מרכזיים במחוז סצ'ואן בשנת 2008, היו 1,736 אסונות רעידת אדמה חמורים בתשתיות כבישים ובקירות תמך במדרונות, המהווים 39.76% מאורך ההערכה הכולל. ההפסדים הכלכליים הישירים מנזקי כביש עלו על 58 מיליארד יואן 2,3. דוגמאות עולמיות מראות שסכנות גיאולוגיות לאחר רעידת אדמה יכולות להימשך לפחות 10 שנים (רעידת אדמה בטייוואן) ואפילו 40-50 שנה (רעידת אדמה בקאנטו ביפן) 4,5. שיפוע הוא הגורם העיקרי המשפיע על סכנת רעידת אדמה 6,7. לכן, יש צורך לשמור על שיפוע הכביש ולחזק את יציבותו. צמחים ממלאים תפקיד חיוני בהגנה על מדרונות ושיקום נוף אקולוגי 8. בהשוואה למדרונות קרקע רגילים, למדרונות סלע אין הצטברות של גורמי תזונה כגון חומר אורגני, חנקן, זרחן ואשלגן, ואין להם את סביבת הקרקע הדרושה לצמיחת צמחייה. עקב גורמים כמו שיפוע גדול וסחף גשם, אדמת המדרון אובדת בקלות. סביבת המדרון היא קשה, חסרים את התנאים הדרושים לגידול צמחים, ואדמת המדרון חסרה יציבות תומכת9. ריסוס מדרונות עם חומר בסיס לכיסוי אדמה כדי להגן על המדרון הוא טכנולוגיית שיקום אקולוגי של מדרונות נפוצה במדינה שלי. האדמה המלאכותית המשמשת לריסוס מורכבת מאבן כתושה, אדמת חקלאית, קש, דשן מורכב, חומר אגירת מים ודבק (דבקים נפוצים כוללים צמנט פורטלנד, דבק אורגני ואמולסיפייר אספלט) ביחס מסוים. התהליך הטכני הוא: תחילה מניחים תיל דוקרני על הסלע, לאחר מכן מקבעים את התיל באמצעות מסמרות וברגי עוגן, ולבסוף מרססים אדמה מלאכותית המכילה זרעים על המדרון בעזרת מרסס מיוחד. רשת מתכת בצורת יהלום 14# מגולוונת לחלוטין משמשת לרוב, עם רשת סטנדרטית של 5 ס"מ × 5 ס"מ וקוטר של 2 מ"מ. רשת המתכת מאפשרת למטריצת האדמה ליצור לוח מונוליטי עמיד על פני הסלע. רשת המתכת תתקלקל באדמה, מכיוון שהאדמה עצמה היא אלקטרוליט, ומידת הקורוזיה תלויה במאפייני האדמה. להערכת גורמי קורוזיה של הקרקע יש משמעות רבה להערכת מתכת הנגרמת על ידי הקרקע. סחף רשת וסילוק סכנות של מפולות.
מאמינים כי שורשי צמחים ממלאים תפקיד מכריע בייצוב מדרונות ובקרת סחף10,11,12,13,14. כדי לייצב מדרונות מפני מפולות רדודות, ניתן להשתמש בצמחייה מכיוון ששורשי צמחים יכולים לקבע את הקרקע כדי למנוע מפולות15,16,17. צמחייה מיוערת, במיוחד עצים, מסייעת במניעת מפולות רדודות18. מבנה מגן חזק שנוצר על ידי מערכות השורשים האנכיות והרוחביות של צמחים הפועלות כערימות חיזוק בקרקע. התפתחות דפוסי ארכיטקטורת השורשים מונעת על ידי גנים, וסביבת הקרקע ממלאת תפקיד מכריע בתהליכים אלה. קורוזיה למתכות משתנה בהתאם לסביבת הקרקע20. מידת הקורוזיה של מתכות בקרקע יכולה לנוע בין התמוססות מהירה למדי להשפעה זניחה21. אדמה מלאכותית שונה מאוד מ"אדמה" אמיתית. היווצרות קרקעות טבעיות היא תוצאה של אינטראקציות בין הסביבה החיצונית לאורגניזמים שונים במשך עשרות מיליוני שנים22,23,24. לפני שהצמחייה המיוערת יוצרת מערכת שורשים ומערכת אקולוגית יציבה, האם רשת המתכת בשילוב עם מדרון הסלע והאדמה המלאכותית יכולה לתפקד בבטחה קשורה ישירות להתפתחות הכלכלה הטבעית, בטיחות החיים וה... שיפור הסביבה האקולוגית.
עם זאת, קורוזיה של מתכות עלולה להוביל להפסדים עצומים. על פי סקר שנערך בסין בתחילת שנות ה-80 על מכונות כימיות ותעשיות אחרות, הפסדים שנגרמו מקורוזיית מתכת היוו 4% מכלל ערך התפוקה. לכן, יש חשיבות רבה לחקור את מנגנון הקורוזיה ולנקוט באמצעי הגנה לבנייה כלכלית. קרקע היא מערכת מורכבת של גזים, נוזלים, מוצקים ומיקרואורגניזמים. מטבוליטים מיקרוביאליים יכולים לאכל חומרים, וזרמים תועים יכולים גם הם לגרום לקורוזיה. לכן, חשוב למנוע קורוזיה של מתכות הקבורות בקרקע. נכון לעכשיו, המחקר על קורוזיה של מתכות קבורות מתמקד בעיקר ב-(1) גורמים המשפיעים על קורוזיה של מתכות קבורות25; (2) שיטות הגנה על מתכות26,27; (3) שיטות שיפוט למידת קורוזיית המתכת28; קורוזיה במדיה שונה. עם זאת, כל הקרקעות במחקר היו טבעיות ועברו תהליכי היווצרות קרקע מספקים. עם זאת, אין דיווח על סחף קרקע מלאכותי של מדרונות סלע מסילת רכבת.
בהשוואה למדיה קורוזיבית אחרת, לקרקע מלאכותית יש מאפיינים של חוסר נזילות, הטרוגניות, עונתיות ואזוריות. קורוזיה של מתכת בקרקעות מלאכותיות נגרמת על ידי אינטראקציות אלקטרוכימיות בין מתכות לקרקעות מלאכותיות. בנוסף לגורמים מולדים, קצב קורוזיה של מתכת תלוי גם בסביבה הסובבת. מגוון גורמים משפיעים על קורוזיה של מתכת באופן פרטני או בשילוב, כגון תכולת לחות, תכולת חמצן, תכולת מלחים מסיסים כוללת, תכולת אניונים ויוני מתכת, pH, חיידקי קרקע30,31,32.
במשך 30 שנות ניסיון, השאלה כיצד לשמר לצמיתות קרקעות מלאכותיות על מדרונות סלעיים הייתה בעיה33. שיחים או עצים אינם יכולים לגדול על מדרונות מסוימים לאחר 10 שנים של טיפול ידני עקב סחף קרקע. הלכלוך על פני רשת המתכת נשטף במקומות מסוימים. עקב קורוזיה, חלק מרשתות המתכת נסדקו ואיבדו את כל האדמה מעליהן ומתחתיהן (איור 1). נכון לעכשיו, המחקר על קורוזיה במדרונות מסילת רכבת מתמקד בעיקר בקורוזיה של רשת הארקה של תחנות רכבת, קורוזיה של זרמים תועה הנוצרת על ידי רכבת קלה, וקורוזיה של גשרי רכבת34,35, מסילות וציוד רכב אחר36. לא דווח על קורוזיה של רשת המתכת להגנה על מדרונות מסילת הרכבת. מאמר זה בוחן את התכונות הפיזיקליות, הכימיות והאלקטרוכימיות של קרקעות מלאכותיות במדרון הסלעי הדרום-מערבי של מסילת הרכבת סויו, במטרה לחזות קורוזיה של מתכת על ידי הערכת תכונות הקרקע ולספק בסיס תיאורטי ומעשי לשיקום מערכת אקולוגית של קרקע ולשיקום מלאכותי. מדרון מלאכותי.
אתר הניסוי ממוקם באזור הגבעי של סצ'ואן (30°32′N, 105°32′E) ליד תחנת הרכבת סוינינג. האזור ממוקם באמצע אגן סצ'ואן, עם הרים וגבעות נמוכים, עם מבנה גיאולוגי פשוט ושטח שטוח. סחף, חיתוך והצטברות מים יוצרים נופים גבעיים שנשחקו. הסלע האם הוא בעיקר אבן גיר, והשכבה העליונה היא בעיקר חול סגול ואבן בוץ. השלמות ירודה, והסלע הוא מבנה גושי. לאזור המחקר אקלים מונסון לח סובטרופי עם מאפיינים עונתיים של תחילת האביב, קיץ חם, סתיו קצר וסוף החורף. הגשמים רבים, משאבי האור והחום בשפע, תקופת הכפור ארוכה (285 ימים בממוצע), האקלים מתון, הטמפרטורה השנתית הממוצעת היא 17.4°C, הטמפרטורה הממוצעת של החודש החם ביותר (אוגוסט) היא 27.2°C, והטמפרטורה המקסימלית הקיצונית היא 39.3°C. החודש הקר ביותר הוא ינואר (הטמפרטורה הממוצעת היא 6.5°C), הטמפרטורה המינימלית הקיצונית... הטמפרטורה היא -3.8°C, וכמות המשקעים השנתית הממוצעת היא 920 מ"מ, המרוכזת בעיקר ביולי ובאוגוסט. כמות המשקעים באביב, בקיץ, בסתיו ובחורף משתנה מאוד. שיעור המשקעים בכל עונה בשנה הוא 19-21%, 51-54%, 22-24% ו-4-5% בהתאמה.
אתר המחקר נמצא בשיפוע של כ-45 מעלות על מדרון מסילת הרכבת יו-סוי שנבנתה בשנת 2003. באפריל 2012, הוא פנה דרומה, במרחק של קילומטר אחד מתחנת הרכבת סוינינג. המדרון הטבעי שימש כביקורת. שיקום אקולוגי של המדרון מאמץ את טכנולוגיית ריסוס הקרקע הזרה של דישון עליון לשיקום אקולוגי. בהתאם לגובה המדרון בצד מסילת הרכבת, ניתן לחלק את המדרון לעלייה, אמצע המדרון ומורד המדרון (איור 2). מכיוון שעובי האדמה המלאכותית של המדרון החתוך הוא כ-10 ס"מ, על מנת למנוע זיהום של תוצרי קורוזיה של רשת המתכת של האדמה, אנו משתמשים רק באת חפירה מפלדת אל-חלד כדי לגזור את פני האדמה 0-8 ס"מ. נקבעו ארבעה דגימות עבור כל מיקום במדרון, עם 15-20 נקודות דגימה אקראיות לכל דגימה. כל דגימה היא תערובת של 15-20 נקודות דגימה שנקבעו באופן אקראי מנקודות דגימה בצורת S. משקלה הטרי הוא כ-500 גרם. החזירו את הדגימות למעבדה בשקיות פוליאתילן ארוזות זיפלוק לעיבוד. האדמה מיובשת באופן טבעי באוויר, והחצץ ושאריות בעלי חיים וצמחים נבחרים, נמעכים בעזרת מקל אגט, ומנופים בעזרת מסננת ניילון בקוטר 20 ו-100 רשת, למעט החלקיקים הגסים.
התנגדות הקרקע נמדדה על ידי בודק התנגדות הארקה VICTOR4106 המיוצר על ידי חברת Shengli Instrument; התנגדות הקרקע נמדדה בשטח; לחות הקרקע נמדדה בשיטת הייבוש. מכשיר ה-DMP-2 הדיגיטלי הנייד mv/pH כולל עכבת קלט גבוהה למדידת פוטנציאל קורוזיה של הקרקע. פוטנציאל גרדיאנט ופוטנציאל חיזור-חיזור נקבעו על ידי DMP-2 דיגיטלי נייד mv/pH, סך המלח המסיס בקרקע נקבע בשיטת ייבוש שאריות, תכולת יוני כלוריד בקרקע נקבעה בשיטת טיטרציה של AgNO3 (שיטת Mohr), תכולת סולפט בקרקע נקבעה בשיטת טיטרציה עקיפה של EDTA, שיטת טיטרציה כפולה לקביעת פחמתי וביקרבונט בקרקע, שיטת חימום של חמצון אשלגן דיכרומט לקביעת חומר אורגני בקרקע, שיטת דיפוזיה של תמיסה אלקלית לקביעת חנקן הידרוליזה אלקלית בקרקע, שיטת קולורימטריה של עיכול H2SO4-HClO4 של Mo-Sb. סך הזרחן בקרקע ותכולת הזרחן הזמין בקרקע נקבעו בשיטת אולסן (0.05 מול/ליטר תמיסת NaHCO3 כחומר מיצוי), ותכולת האשלגן הכוללת בקרקע נקבעה על ידי פוטומטריית נתרן הידרוקסיד-להבה.
הנתונים הניסויים אורגנו בתחילה באופן שיטתי. תוכנת SPSS Statistics 20 שימשה לביצוע ניתוח ממוצע, סטיית תקן, ניתוח ANOVA חד-כיווני וניתוח קורלציה אנושית.
טבלה 1 מציגה את התכונות האלקטרומכניות, האניונים והנוטריינטים של קרקעות עם שיפועים שונים. פוטנציאל הקורוזיה, התנגדות הקרקע ושיפוע הפוטנציאל מזרח-מערב של שיפועים שונים היו כולם משמעותיים (P < 0.05). פוטנציאלי החמצון-חיזור של ירידה, שיפוע אמצעי ומדרון טבעי היו משמעותיים (P < 0.05). שיפוע הפוטנציאל המאונך למסילה, כלומר, שיפוע הפוטנציאל צפון-דרום, הוא מעלה שיפוע>מורד שיפוע>מדרון אמצעי. ערך ה-pH של הקרקע היה בסדר גודל של ירידה שיפוע>עלייה שיפוע>מדרון אמצעי>מדרון טבעי. סך המלח המסיס, שיפוע טבעי, היה גבוה משמעותית משיפוע מסילת הרכבת (P < 0.05). סך תכולת המלח המסיס של אדמת מדרון מסילת הרכבת בדרגה שלישית היא מעל 500 מ"ג/ק"ג, ולמלח המסיס הכולל יש השפעה מתונה על קורוזיית מתכת. תכולת החומר האורגני של הקרקע הייתה הגבוהה ביותר במדרון הטבעי והנמוכה ביותר במדרון הירידה (P < 0.05). סך תכולת החנקן הייתה הגבוהה ביותר במדרון האמצעי והנמוכה ביותר במדרון העלייה; תכולת החנקן הזמינה הייתה הגבוהה ביותר במדרון היורד ובמדרון האמצעי, והנמוכה ביותר במדרון הטבעי; תכולת החנקן הכוללת במעלה ובמורד מסילת הרכבת הייתה נמוכה יותר, אך תכולת החנקן הזמינה הייתה גבוהה יותר. ממצא זה מצביע על כך שקצב המינרליזציה של חנקן אורגני בעלייה ובירידה מהיר. תכולת האשלגן הזמינה זהה לזרחן הזמינה.
התנגדות קרקע היא מדד המצביע על מוליכות חשמלית ופרמטר בסיסי להערכת קורוזיה של קרקע. גורמים המשפיעים על התנגדות הקרקע כוללים תכולת לחות, תכולת מלחים מסיסים כוללת, pH, מרקם הקרקע, טמפרטורה, תכולת חומר אורגני, טמפרטורת הקרקע ואטימות. באופן כללי, קרקעות בעלות התנגדות נמוכה הן קורוזיביות יותר, ולהיפך. שימוש בהתנגדות להערכת קורוזיה של קרקע היא שיטה נפוצה במדינות שונות. טבלה 1 מציגה את קריטריוני ההערכה של דרגת הקורוזיה עבור כל מדד בודד37,38.
על פי תוצאות הבדיקה והתקנים במדינתי (טבלה 1), אם קורוזיבת הקרקע מוערכת רק לפי התנגדות הקרקע, הקרקע במדרון העלייה קורוזיבית מאוד; הקרקע במדרון הירידה קורוזיבית במידה בינונית; קורוזיבת הקרקע במדרון האמצעי ובמדרון הטבעי נמוכה יחסית.
התנגדות הקרקע במדרון העלייה נמוכה משמעותית מזו של חלקים אחרים במדרון, דבר שעשוי להיגרם מסחף גשם. שכבת הקרקע העליונה במעלה המדרון זורמת למדרון האמצעי עם המים, כך שרשת ההגנה המתכתית של המדרון במעלה המדרון קרובה לשכבת הקרקע העליונה. חלק מרשתות המתכת נחשפו ואף התלויות באוויר (איור 1). התנגדות הקרקע נמדדה באתר; המרווח בין כלונסאות היה 3 מטר; עומק הנחת הכלונסאות היה מתחת ל-15 ס"מ. רשת מתכת חשופה וחלודה מתקלפת עלולים להפריע לתוצאות המדידה. לכן, לא אמין להעריך את קורוזיביות הקרקע רק לפי מדד התנגדות הקרקע. בהערכה מקיפה של קורוזיה, התנגדות הקרקע במעלה המדרון אינה נלקחת בחשבון.
בשל הלחות היחסית הגבוהה, האוויר הלח המתמשך באזור סצ'ואן גורם לרשת המתכת החשופה לאוויר להתקלקל בצורה חמורה יותר מאשר רשת המתכת הקבורה באדמה39. חשיפה של רשת תיל לאוויר עלולה לגרום לירידה באורך החיים, מה שעלול לערער את יציבות הקרקעות במעלה ההר. אובדן קרקע יכול להקשות על צמחים, במיוחד צמחים עציים, לגדול. בשל היעדר צמחים עציים, קשה ליצור מערכת שורשים במעלה ההר כדי לחזק את האדמה. במקביל, גידול צמחים יכול גם לשפר את איכות הקרקע ולהגדיל את תכולת החומוס בקרקע, שיכולה לא רק לשמור על מים, אלא גם לספק סביבה טובה לצמיחה ורבייה של בעלי חיים וצמחים, ובכך להפחית את אובדן הקרקע. לכן, בשלב המוקדם של הבנייה, יש לזרוע יותר זרעי עץ במעלה המדרון, ולהוסיף באופן רציף חומר לאגירת מים ולכסות בניילון נצמד להגנה, כדי להפחית את הסחף של הקרקע במעלה המדרון על ידי מי גשמים.
פוטנציאל הקורוזיה הוא גורם חשוב המשפיע על קורוזיה של רשת ההגנה על המדרון במדרון בן שלוש הקומות, ויש לו את ההשפעה הגדולה ביותר על המדרון בעלייה (טבלה 2). בתנאים רגילים, פוטנציאל הקורוזיה אינו משתנה הרבה בסביבה נתונה. שינוי מורגש יכול להיגרם על ידי זרמים תועים. זרמים תועים מתייחסים לזרמים 40, 41, 42 הדולפים לתוך מצע הכביש ותווך הקרקע כאשר כלי רכב משתמשים במערכת התחבורה הציבורית. עם התפתחות מערכת התחבורה, מערכת התחבורה הרכבתית של ארצי השיגה חשמול בקנה מידה גדול, ולא ניתן להתעלם מקורוזיה של מתכות קבורות הנגרמת על ידי דליפת זרם ישר ממסילות ברזל מחושמלות. כיום, ניתן להשתמש במפל פוטנציאל הקרקע כדי לקבוע האם הקרקע מכילה הפרעות זרם תועים. כאשר מפל הפוטנציאל של אדמת פני השטח נמוך מ-0.5 mv/m, הזרם התועים נמוך; כאשר מפל הפוטנציאל נמצא בטווח של 0.5 mv/m עד 5.0 mv/m, הזרם התועים בינוני; כאשר מפל הפוטנציאל גדול מ-5.0 מיליוולט/מטר, רמת הזרם התועה גבוהה. טווח הצף של מפל הפוטנציאל (EW) של המדרון האמצעי, במעלה המדרון ובמורד המדרון מוצג באיור 3. מבחינת טווח הצף, ישנם זרמים תועים מתונים בכיוונים מזרח-מערב וצפון-דרום של המדרון האמצעי. לכן, זרם תועה הוא גורם חשוב המשפיע על קורוזיה של רשתות מתכת במדרון האמצעי ובמורד המדרון, במיוחד במדרון האמצעי.
באופן כללי, פוטנציאל חמצון-חיזור של הקרקע (Eh) מעל 400 mV מצביע על יכולת חמצון, מעל 0-200 mV יכולת חיזור בינונית, ומתחת ל-0 mV יכולת חיזור גדולה. ככל שפוטנציאל חמצון-חיזור של הקרקע נמוך יותר, כך גדלה יכולת הקורוזיה של מיקרואורגניזמים בקרקע למתכות.44 ניתן לחזות את מגמת הקורוזיה המיקרוביאלית של הקרקע מפוטנציאל חמצון-חיזור. המחקר מצא שפוטנציאל חמצון-חיזור של הקרקע בשלושת המדרונות היה גדול מ-500 mV, ורמת הקורוזיה הייתה קטנה מאוד. זה מראה שתנאי אוורור הקרקע של אדמת המדרון טובים, דבר שאינו תורם לקורוזיה של מיקרואורגניזמים אנאירוביים בקרקע.
מחקרים קודמים מצאו כי השפעת רמת החומציות (pH) בקרקע על סחף קרקע ברורה. עם תנודות ערך ה-pH, קצב הקורוזיה של חומרי מתכת מושפע באופן משמעותי. רמת החומציות בקרקע קשורה קשר הדוק לאזור ולמיקרואורגניזמים בקרקע45,46,47. באופן כללי, השפעת רמת החומציות בקרקע על קורוזיה של חומרי מתכת בקרקע בסיסית מעט אינה ברורה. הקרקעות של שלושת מדרונות הרכבת הן כולן בסיסיות, ולכן השפעת ה-pH על קורוזיה של רשת המתכת חלשה.
כפי שניתן לראות בטבלה 3, ניתוח הקורלציה מראה כי פוטנציאל החיזור ומיקום השיפוע נמצאים בקורלציה חיובית מובהקת (R2 = 0.858), פוטנציאל הקורוזיה וגרדיאנט הפוטנציאל (SN) נמצאים בקורלציה חיובית מובהקת (R2 = 0.755), ופוטנציאל החיזור וגרדיאנט הפוטנציאל (SN) נמצאים בקורלציה חיובית מובהקת (R2 = 0.755). נמצא מתאם שלילי משמעותי בין הפוטנציאל ל-pH (R2 = -0.724). מיקום השיפוע נמצא בקורלציה חיובית משמעותית עם פוטנציאל החיזור. ממצא זה מראה שישנם הבדלים בסביבת המיקרו של מיקומי שיפוע שונים, ומיקרואורגניזמים בקרקע קשורים קשר הדוק לפוטנציאל החיזור48, 49, 50. פוטנציאל החיזור נמצא בקורלציה שלילית משמעותית עם pH51,52. קשר זה מצביע על כך שערכי pH ו-Eh לא תמיד השתנו באופן סינכרוני במהלך תהליך החיזור של הקרקע, אלא היה להם קשר ליניארי שלילי. פוטנציאל קורוזיה של מתכת יכול לייצג את היכולת היחסית לצבור ולאבד אלקטרונים. למרות שפוטנציאל הקורוזיה נמצא בקורלציה חיובית משמעותית עם גרדיאנט הפוטנציאל (SN), גרדיאנט הפוטנציאל עשוי להיגרם על ידי אובדן קל של אלקטרונים על ידי המתכת.
תכולת המלחים המסיסים הכוללת בקרקע קשורה קשר הדוק לקורוזיביות הקרקע. באופן כללי, ככל שמליחות הקרקע גבוהה יותר, כך התנגדות הקרקע נמוכה יותר, ובכך גדלה עמידות הקרקע. באלקטרוליטים של הקרקע, לא רק האניונים בטווחים משתנים, אלא גם משפיעים על הקורוזיה בעיקר על קרבונטים, כלורידים וסולפטים. בנוסף, תכולת המלחים המסיסים הכוללת בקרקע משפיעה בעקיפין על הקורוזיה באמצעות השפעת גורמים אחרים, כגון השפעת פוטנציאל האלקטרודה במתכות ומסיסות חמצן בקרקע.
רוב היונים המסיסים המפורקים ממלח בקרקע אינם משתתפים ישירות בתגובות אלקטרוכימיות, אלא משפיעים על קורוזיה של מתכת דרך התנגדות הקרקע. ככל שמליחות הקרקע גבוהה יותר, כך מוליכות הקרקע חזקה יותר וסחף הקרקע חזק יותר. תכולת המליחות בקרקע במדרונות טבעיים גבוהה משמעותית מזו של מדרונות מסילת ברזל, דבר שיכול להיות בשל העובדה שמדרונות טבעיים עשירים בצמחייה, דבר התורם לשימור קרקע ומים. סיבה נוספת עשויה להיות שהמדרון הטבעי חווה היווצרות קרקע בוגרת (חומר אב לקרקע שנוצר על ידי בליה של סלעים), אך אדמת מדרון המסילה מורכבת משברי אבן כתושה כמטריקס של "קרקע מלאכותית", ולא עברה תהליך היווצרות קרקע מספק. מינרלים לא שוחררו. בנוסף, יוני המלח בקרקע העמוקה של מדרונות טבעיים עלו באמצעות פעולה נימית במהלך אידוי פני השטח והצטברו בקרקע העמוקה, וכתוצאה מכך גדלה תכולת יוני המלח בקרקע העמוקה. עובי הקרקע של מדרון המסילה קטן מ-20 ס"מ, וכתוצאה מכך חוסר יכולת של הקרקע העליונה להשלים את המלח מהקרקע העמוקה.
ליונים חיוביים (כגון K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ וכו') יש השפעה מועטה על קורוזיית הקרקע, בעוד שאניונים ממלאים תפקיד משמעותי בתהליך האלקטרוכימי של קורוזיה ויש להם השפעה משמעותית על קורוזיית המתכת. Cl− יכול להאיץ את קורוזיית האנודה והוא האניון הקורוזי ביותר; ככל שתכולת ה-Cl− גבוהה יותר, כך קורוזיית הקרקע חזקה יותר. SO42− לא רק מקדם קורוזיה של פלדה, אלא גם גורם לקורוזיה בחומרי בטון מסוימים. 54. גם מאכל ברזל. בסדרה של ניסויים בקרקע חומצית, נמצא כי קצב הקורוזיה פרופורציונלי לחומציות הקרקע. 55. כלוריד וסולפט הם המרכיבים העיקריים של מלחים מסיסים, שיכולים להאיץ ישירות את הקביטציה של מתכות. מחקרים הראו כי אובדן משקל הקורוזיה של פלדת פחמן בקרקעות אלקליות כמעט פרופורציונלי לתוספת יוני כלוריד וסולפט. 56,57. לי ועמיתיו מצאו כי SO42- עשוי לעכב קורוזיה, אך לקדם את התפתחותם של בורות קורוזיה שכבר נוצרו.
על פי תקן הערכת קורוזיביות הקרקע ותוצאות הבדיקה, תכולת יוני הכלוריד בכל דגימת קרקע במדרון הייתה מעל 100 מ"ג/ק"ג, דבר המצביע על קורוזיביות חזקה של הקרקע. תכולת יוני הסולפט הן במעלה והן במורד הייתה מעל 200 מ"ג/ק"ג ומתחת ל-500 מ"ג/ק"ג, והקרקע הייתה קורוזיבית במידה בינונית. תכולת יוני הסולפט במדרון האמצעי נמוכה מ-200 מ"ג/ק"ג, וקורוזיית הקרקע חלשה. כאשר מצע הקרקע מכיל ריכוז גבוה, הוא ישתתף בתגובה וייצר אבנית קורוזיה על פני האלקטרודה המתכתית, ובכך יאט את תגובת הקורוזיה. ככל שהריכוז עולה, האבנית עלולה להישבר פתאום, ובכך להאיץ מאוד את קצב הקורוזיה; ככל שהריכוז ממשיך לעלות, אבנית הקורוזיה מכסה את פני האלקטרודה המתכתית, וקצב הקורוזיה מראה שוב מגמת האטה. המחקר מצא כי הכמות בקרקע הייתה נמוכה יותר ולכן הייתה לה השפעה מועטה על הקורוזיה.
לפי טבלה 4, המתאם בין השיפוע לאניוני הקרקע הראה כי קיים מתאם חיובי מובהק בין השיפוע ליוני כלוריד (R2=0.836), ומתאם חיובי מובהק בין השיפוע למלחים מסיסים כוללים (R2=0.742).
ממצא זה מצביע על כך שנגר עילי וסחף קרקע עשויים להיות אחראים לשינויים במלחים המסיסים הכוללים בקרקע. נמצא מתאם חיובי משמעותי בין מלחים מסיסים כוללים ליוני כלוריד, דבר שייתכן נובע מכך שמלחים מסיסים כוללים הם מאגר יוני הכלוריד, ותכולת המלחים המסיסים הכוללים קובעת את תכולת יוני הכלוריד בתמיסות הקרקע. לכן, אנו יכולים לדעת שההבדל בשיפוע עלול לגרום לקורוזיה חמורה של חלק רשת המתכת.
חומר אורגני, חנקן כולל, חנקן זמין, זרחן זמין ואשלגן זמין הם רכיבי התזונה הבסיסיים של הקרקע, המשפיעים על איכות הקרקע ועל ספיגת חומרי התזונה על ידי מערכת השורשים. חומרי התזונה בקרקע הם גורם חשוב המשפיע על המיקרואורגניזמים בקרקע, ולכן כדאי לחקור האם יש קשר בין חומרי התזונה בקרקע לבין קורוזיה של מתכת. מסילת הרכבת סויו הושלמה בשנת 2003, מה שאומר שהקרקע המלאכותית חוותה רק 9 שנים של הצטברות חומר אורגני. בשל הייחודיות של הקרקע המלאכותית, יש צורך בהבנה טובה של חומרי התזונה בקרקע המלאכותית.
המחקר מראה שתכולת החומר האורגני היא הגבוהה ביותר בקרקע המדרון הטבעי לאחר כל תהליך היווצרות הקרקע. תכולת החומר האורגני בקרקע במדרון נמוך הייתה הנמוכה ביותר. עקב השפעת בליה ונגר עילי, חומרי הזנה בקרקע יצטברו באמצע המדרון ובמורד המדרון, ויוצרים שכבה עבה של חומוס. עם זאת, עקב החלקיקים הקטנים והיציבות הירודה של קרקע במדרון נמוך, חומר אורגני מתפרק בקלות על ידי מיקרואורגניזמים. הסקר מצא כי כיסוי הצמחייה ומגוון הצמחייה באמצע המדרון ובמורד המדרון היו גבוהים, אך ההומוגניות הייתה נמוכה, מה שעלול להוביל לפיזור לא אחיד של חומרי הזנה עיליים. שכבה עבה של חומוס מחזיקה מים ואורגניזמים בקרקע פעילים. כל זה מאיץ את פירוק החומר האורגני בקרקע.
תכולת החנקן שעבר הידרוליזה אלקלית במסילות הברזל במעלה, באמצע ובמורד המדרון הייתה גבוהה יותר מזו שבמדרון הטבעי, דבר המצביע על כך שקצב המינרליזציה של החנקן האורגני במדרון המסילה היה גבוה משמעותית מזה שבמדרון הטבעי. ככל שהחלקיקים קטנים יותר, כך מבנה הקרקע לא יציב יותר, כך קל יותר למיקרואורגניזמים לפרק את החומר האורגני באגרגטים, וכך מאגר החנקן האורגני המינרלי גדול יותר. בהתאם לתוצאות המחקר, תכולת אגרגטים של חלקיקים קטנים בקרקע של מדרונות מסילת הברזל הייתה גבוהה משמעותית מזו של מדרונות טבעיים. לכן, יש לנקוט באמצעים מתאימים כדי להגדיל את תכולת הדשן, החומר האורגני והחנקן בקרקע של מדרון המסילה, ולשפר את הניצול בר-קיימא של הקרקע. בזבוז הזרחן והאשלגן הזמין הנגרם כתוצאה מנגר עילי היווה 77.27% עד 99.79% מהאובדן הכולל של מדרון המסילה. נגר עילי עשוי להיות הגורם העיקרי לאובדן חומרי הזנה זמינים בקרקעות מדרונות.
כפי שמוצג בטבלה 4, נמצא מתאם חיובי מובהק בין מיקום השיפוע לכמות הזרחן הזמין (R2=0.948), והמתאם בין מיקום השיפוע לכמות האשלגן הזמין היה זהה (R2=0.898). ממצא זה מראה כי מיקום השיפוע משפיע על תכולת הזרחן הזמין והאשלגן הזמין בקרקע.
שיפוע הוא גורם חשוב המשפיע על תכולת החומר האורגני בקרקע ועל העשרת חנקן66, וככל שהשיפוע קטן יותר, כך קצב ההעשרה גדול יותר. עבור העשרת חומרי הזנה בקרקע, אובדן חומרי הזנה נחלש, והשפעת מיקום המדרון על תכולת החומר האורגני בקרקע ועל העשרת החנקן הכוללת לא הייתה ברורה. סוגים ומספרים שונים של צמחים במדרונות שונים מפרישים חומצות אורגניות שונות על ידי שורשי הצמחים. חומצות אורגניות מועילות לקיבוע זרחן זמין ואשלגן זמין בקרקע. לכן, נמצא מתאם משמעותי בין מיקום המדרון לזרחן זמין, לבין מיקום המדרון ואשלגן זמין.
על מנת להבהיר את הקשר בין חומרי הזנה בקרקע לבין קורוזיה, יש צורך לנתח את המתאם. כפי שמוצג בטבלה 5, פוטנציאל החיזור היה בקורלציה שלילית משמעותית עם חנקן זמין (R2 = -0.845) ובקורלציה חיובית משמעותית עם זרחן זמין (R2 = 0.842) ואשלגן זמין (R2 = 0.980). פוטנציאל החיזור משקף את איכות החיזור, אשר בדרך כלל מושפעת מתכונות פיזיקליות וכימיות מסוימות של הקרקע, ולאחר מכן משפיעה על סדרה של תכונות של הקרקע. לכן, זהו גורם חשוב בקביעת כיוון הטרנספורמציה של חומרי הזנה בקרקע67. איכויות שונות של חיזור עשויות לגרום למצבים שונים וזמינות שונים של גורמי תזונה. לכן, לפוטנציאל החיזור יש מתאם משמעותי עם חנקן זמין, זרחן זמין ואשלגן זמין.
בנוסף לתכונות המתכת, פוטנציאל הקורוזיה קשור גם לתכונות הקרקע. פוטנציאל הקורוזיה נמצא בקורלציה שלילית משמעותית עם חומר אורגני, דבר המצביע על כך שלחומר אורגני הייתה השפעה משמעותית על פוטנציאל הקורוזיה. בנוסף, חומר אורגני נמצא גם בקורלציה שלילית משמעותית עם גרדיאנט פוטנציאלי (SN) (R2=-0.713) ויון סולפט (R2=-0.671), דבר המצביע על כך שתכולת החומר האורגני משפיעה גם על גרדיאנט פוטנציאלי (SN) ויון סולפט. נמצא קורלציה שלילית משמעותית בין רמת החומציות של הקרקע לאשלגן הזמין (R2 = -0.728).
חנקן זמין נמצא בקורלציה שלילית משמעותית עם סך המלחים המסיסים ויוני הכלוריד, וזרחן זמין ואשלגן זמין נמצאו בקורלציה חיובית משמעותית עם סך המלחים המסיסים ויוני הכלוריד. ממצא זה מצביע על כך שתכולת החומרים המזינים הזמינים השפיעה משמעותית על כמות סך המלחים המסיסים ויוני הכלוריד בקרקע, ואניונים בקרקע לא תורמים להצטברות ואספקה ​​של חומרים מזינים זמינים. חנקן כולל נמצא בקורלציה שלילית משמעותית עם יוני סולפט, וקורלציה חיובית משמעותית עם ביקרבונט, דבר המצביע על כך שלחנקן הכולל הייתה השפעה על תכולת הסולפט והביקרבונט. לצמחים יש ביקוש מועט ליוני סולפט ויוני ביקרבונט, ולכן רובם חופשיים בקרקע או נספגים על ידי קולואידים של הקרקע. יוני ביקרבונט מעדיפים את הצטברות החנקן בקרקע, ויוני סולפט מפחיתים את זמינות החנקן בקרקע. לכן, הגדלה מתאימה של תכולת החנקן והחומוס הזמינים בקרקע מועילה להפחתת קורוזיביות הקרקע.
קרקע היא מערכת בעלת הרכב ותכונות מורכבים. קורוזיביות הקרקע היא תוצאה של פעולה סינרגטית של גורמים רבים. לכן, בדרך כלל משתמשים בשיטת הערכה מקיפה כדי להעריך את קורוזיביות הקרקע. בהתייחס ל"קוד לחקירת הנדסה גיאוטכנית" (GB50021-94) ולשיטות הבדיקה של רשת בדיקות קורוזיה הקרקע הסינית, ניתן להעריך באופן מקיף את דרגת קורוזיה הקרקע בהתאם לתקנים הבאים: (1) ההערכה היא קורוזיה חלשה, אם רק קורוזיה חלשה, אין קורוזיה בינונית או קורוזיה חזקה; (2) אם אין קורוזיה חזקה, היא מוערכת כקורוזיה בינונית; (3) אם יש מקום אחד או שניים של קורוזיה חזקה, היא מוערכת כקורוזיה חזקה; (4) אם יש 3 מקומות או יותר של קורוזיה חזקה, היא מוערכת כקורוזיה חזקה עבור קורוזיה חמורה.
בהתאם להתנגדות הקרקע, פוטנציאל חמצון-חיזור, תכולת מים, תכולת מלח, ערך pH ותכולת כלור ו-SO42, דרגות הקורוזיה של דגימות הקרקע במדרונות שונים הוערכו באופן מקיף. תוצאות המחקר מראות כי הקרקעות בכל המדרונות קורוזיביות מאוד.
פוטנציאל קורוזיה הוא גורם חשוב המשפיע על קורוזיה של רשת הגנה על המדרון. פוטנציאלי הקורוזיה של שלושת המדרונות נמוכים כולם מ-200 מיליוולט, דבר שיש לו את ההשפעה הגדולה ביותר על קורוזיה של רשת המתכת בעלייה. ניתן להשתמש בפוטנציאל הגרדיאנט כדי להעריך את גודל הזרם התועה בקרקע. זרם תועה הוא גורם חשוב המשפיע על קורוזיה של רשת מתכת במדרונות אמצעיים ובמדרונות בעלייה, במיוחד במדרונות אמצעיים. תכולת המלחים המסיסים הכוללת בקרקעות המדרונות העליונים, האמצעיים והתחתונים הייתה מעל 500 מ"ג/ק"ג, והשפעת הקורוזיה על רשת הגנה על המדרון הייתה בינונית. תכולת המים בקרקע היא גורם חשוב המשפיע על קורוזיה של רשתות מתכת באמצע המדרון ובמורד המדרון, ויש לה השפעה גדולה יותר על קורוזיה של רשתות הגנה על המדרון. חומרים מזינים נמצאים בשפע ביותר בקרקע באמצע המדרון, דבר המצביע על פעילות מיקרוביאלית תכופה וצמיחה מהירה של צמחים.
המחקר מראה כי פוטנציאל הקורוזיה, פוטנציאל השיפוע, תכולת המלחים המסיסים הכוללת ותכולת המים הם הגורמים העיקריים המשפיעים על קורוזיית הקרקע בשלושת המדרונות, וקורוזיבת הקרקע מוערכת כחזקה. הקורוזיה של רשת ההגנה על המדרונות היא החמורה ביותר במדרון האמצעי, מה שמספק נקודת ייחוס לתכנון נגד קורוזיה של רשת ההגנה על מדרונות הרכבת. תוספת מתאימה של חנקן זמין ודשן אורגני מועילה להפחתת קורוזיית הקרקע, להקל על צמיחת הצמחים ולבסוף לייצוב המדרון.
כיצד לצטט מאמר זה: Chen, J. et al. השפעות הרכב הקרקע והאלקטרוכימיה על קורוזיה של רשת מדרונות סלעים לאורך קו רכבת סיני. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL מאפיינים דינמיים של שיפועים תת-קרקעיים של מסילת רכבת תחת עירור רעידת אדמה. אסון טבע. 69, 219–235 (2013).
סוי וואנג, ג'. ואחרים. ניתוח נזקים אופייניים מרעידות אדמה בכבישים מהירים באזור מוכת רעידת האדמה וונצ'ואן במחוז סצ'ואן [J]. כתב העת הסיני למכניקת סלעים והנדסה. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. ניתוח נזקים סייסמיים ואמצעי נגד של גשרי כבישים מהירים ברעידת האדמה בוונצ'ואן. כתב העת הסיני למכניקת סלעים והנדסה. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC. השפעת רעידת האדמה בצ'יצ'י על מפולות שנגרמו על ידי גשמים נוספים במרכז טייוואן. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. השפעות ארוכות טווח של מפולות כתוצאה מרעידות אדמה על ייצור משקעים באגן ניקוז הררי: אזור טנזווה, יפן. גיאומורפולוגיה. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. סקירת מחקרים על ניתוח יציבות סייסמית של שיפועים גיאוטכניים. הנדסת רעידות אדמה ורעידות הנדסיות. 25, 164–171 (2005).
יואה פינג, מחקר על סכנות גיאולוגיות שנגרמו מרעידת האדמה בוונצ'ואן בסצ'ואן. כתב העת לגיאולוגיה הנדסית 4, 7–12 (2008).
Ali, F. הגנה על מדרונות בעזרת צמחייה: מכניקת שורשים של כמה צמחים טרופיים. כתב העת הבינלאומי למדעי הפיזיקה. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. השפעות טופוגרפיות על יערות טרופיים נמוכים בהר קינאבאלו, בורנאו. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
סטוקס, א. ואחרים. מאפיינים אידיאליים של שורשי צמחים להגנה על מדרונות טבעיים ומהונדסים מפני מפולות אדמה. צמחים וקרקעות, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. השפעות שורשי עשב על יכולת הסחיפה של שכבת הקרקע העליונה במהלך זרימה מרוכזת. Geomorphology 76, 54–67 (2006).