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쑤이-충칭 철도 사면을 연구 대상으로 삼아 토양 저항률, 토양 전기화학적 특성(부식 전위, 산화환원 전위, 전위차 및 pH), 토양 음이온(총 용존 염류, Cl-, SO42- 및 기타 이온), 토양 영양 상태(수분 함량, 유기물 함량, 총 질소, 알칼리 가수분해 질소, 유효 인, 유효 칼륨)를 분석하였다. 다양한 경사 조건에서 인공 토양의 개별 지표와 종합 지표를 이용하여 부식 정도를 평가하였다. 다른 요인들과 비교했을 때, 수분이 사면 보호망 부식에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 그 다음으로 음이온 함량이 영향을 미쳤다. 총 용존 염류는 사면 보호망 부식에 중간 정도의 영향을 미쳤고, 누설 전류 또한 중간 정도의 영향을 미쳤다. 토양 시료의 부식 정도를 종합적으로 평가한 결과, 상부 사면에서는 부식이 중간 정도였고, 중하부 사면에서는 부식이 심한 것으로 나타났다. 토양 유기물 함량은 전위차와 유의미한 상관관계를 보였으며, 유효 질소, 유효 칼륨, 유효 인은 음이온 함량과 유의미한 상관관계를 보였다. 토양 영양분의 분포는 경사 유형과 간접적으로 관련이 있습니다.
철도, 고속도로, 수리시설 건설 시 산을 파내는 것은 불가피한 경우가 많습니다. 중국 남서부의 산악 지형 때문에 철도 건설에는 많은 산 굴착 작업이 필요하며, 이는 원래의 토양과 식생을 파괴하고 암반 경사면을 노출시킵니다. 이러한 상황은 산사태와 토양 침식을 초래하여 철도 운송의 안전을 위협합니다. 산사태는 도로 교통에도 악영향을 미치는데, 특히 2008년 5월 12일 원촨 대지진 이후 더욱 심각해졌습니다. 산사태는 광범위하게 발생하는 심각한 지진 재해가 되었습니다. 2008년 쓰촨성 주요 간선도로 4,243km에 대한 평가에서 노반 및 사면 옹벽에서 1,736건의 심각한 지진 재해가 발생했으며, 이는 평가 대상 전체 길이의 39.76%에 해당합니다. 도로 손상으로 인한 직접적인 경제적 손실은 580억 위안을 초과했습니다.2,3 전 세계적인 사례에서 지진 후 지질 재해는 최소 10년(대만 지진)에서 심지어 40~50년(일본 간토 지진)까지 지속될 수 있습니다.4,5 경사도는 지진 위험에 영향을 미치는 주요 요인입니다.6,7 따라서 도로 사면을 유지하고 안정성을 강화하는 것이 필수적입니다. 식물은 사면 보호 및 생태 경관 복원에 있어 대체 불가능한 역할을 합니다.8 일반적인 토양 사면과 비교하여 암반 사면은 유기물, 질소, 인, 칼륨과 같은 영양 요소가 축적되어 있지 않고 식물 성장에 필요한 토양 환경이 갖춰져 있지 않습니다. 큰 경사도와 같은 요인으로 인해 빗물 침식으로 인해 경사면 토양이 쉽게 유실됩니다. 경사면 환경은 열악하고 식물 생장에 필요한 조건이 부족하며, 경사면 토양은 지지 안정성이 부족합니다.9 경사면에 기초 재료를 살포하여 토양을 덮고 경사면을 보호하는 것은 우리나라에서 흔히 사용되는 경사면 생태 복원 기술입니다. 살포에 사용되는 인공 토양은 쇄석, 농경지 토양, 짚, 복합 비료, 수분 보유제 및 접착제(일반적으로 포틀랜드 시멘트, 유기 접착제 및 아스팔트 유화제 등이 사용됨)를 특정 비율로 혼합하여 만듭니다. 기술 과정은 다음과 같습니다. 먼저 암반에 가시철망을 설치하고, 리벳과 앵커 볼트로 가시철망을 고정한 다음, 특수 분무기를 사용하여 종자가 포함된 인공 토양을 경사면에 살포합니다. 주로 아연 도금된 14번 마름모꼴 금속망이 사용되며, 망의 크기는 5cm×5cm, 직경은 2mm입니다. 금속망은 토양 매트릭스가 암반 표면에 내구성이 뛰어난 일체형 판을 형성하도록 합니다. 토양 자체가 부식성이 있기 때문에 금속망은 토양 속에서 부식될 수 있습니다. 전해질의 특성과 부식 정도는 토양의 특성에 따라 달라집니다. 토양 부식 요인 평가는 토양으로 인한 금속망 침식을 평가하고 산사태 위험을 제거하는 데 매우 중요합니다.
식물 뿌리는 사면 안정화 및 침식 방지에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.10,11,12,13,14 얕은 산사태로부터 사면을 안정화하기 위해 식물을 이용할 수 있는데, 이는 식물 뿌리가 토양을 고정하여 산사태를 방지하기 때문입니다.15,16,17 특히 나무와 같은 목본 식물은 얕은 산사태 방지에 도움이 됩니다.18 식물의 수직 및 수평 뿌리 시스템은 토양에서 보강재 역할을 하여 견고한 보호 구조를 형성합니다. 뿌리 구조 패턴의 발달은 유전자에 의해 결정되며, 토양 환경은 이러한 과정에서 결정적인 역할을 합니다. 금속 부식은 토양 환경에 따라 다릅니다.20 토양에서 금속 부식 정도는 상당히 빠른 용해에서 거의 영향이 없는 경우까지 다양합니다.21 인공 토양은 실제 "토양"과 매우 다릅니다. 자연 토양의 형성은 수천만 년에 걸쳐 외부 환경과 다양한 유기체 간의 상호 작용의 결과입니다.22,23,24 목본 식물이 안정적인 뿌리 시스템과 생태계를 형성하기 전에, 금속 망이 암석과 결합되었는지 여부는 중요한 문제입니다. 경사면과 인공 토양이 안전하게 기능할 수 있는 것은 자연 경제의 발전, 생명의 안전 및 생태 환경 개선과 직접적인 관련이 있습니다.
그러나 금속 부식은 막대한 손실을 초래할 수 있습니다. 1980년대 초 중국에서 화학 기계 및 기타 산업을 대상으로 실시한 조사에 따르면 금속 부식으로 인한 손실은 총 생산액의 4%를 차지했습니다. 따라서 부식 메커니즘을 연구하고 경제적인 건설을 위한 보호 조치를 취하는 것은 매우 중요합니다. 토양은 기체, 액체, 고체 및 미생물로 이루어진 복잡한 시스템입니다. 미생물 대사산물은 재료를 부식시킬 수 있으며, 누설 전류 또한 부식을 유발할 수 있습니다. 따라서 토양에 매설된 금속의 부식을 방지하는 것이 중요합니다. 현재 매설 금속 부식에 대한 연구는 주로 (1) 매설 금속 부식에 영향을 미치는 요인25, (2) 금속 보호 방법26,27, (3) 금속 부식 정도 판단 방법28에 초점을 맞추고 있습니다. 다양한 매체에서의 부식에 대한 연구가 진행되었지만, 본 연구의 모든 토양은 자연 토양이며 충분한 토양 형성 과정을 거친 토양입니다. 또한 철도 암반 사면의 인공 토양 침식에 대한 연구는 보고된 바 없습니다.
다른 부식성 매체와 비교했을 때, 인공토양은 비유동성, 이질성, 계절성 및 지역성이라는 특징을 가지고 있습니다. 인공토양에서의 금속 부식은 금속과 인공토양 사이의 전기화학적 상호작용에 의해 발생합니다. 금속 부식 속도는 고유 요인 외에도 주변 환경에 따라 달라집니다. 수분 함량, 산소 함량, 총 용해성 염 함량, 음이온 및 금속 이온 함량, pH, 토양 미생물 등 다양한 요인이 개별적으로 또는 복합적으로 금속 부식에 영향을 미칩니다.30,31,32
30년간의 실무 경험을 통해 암반 사면에 인공 토양을 영구적으로 보존하는 방법은 지속적인 문제로 남아 있습니다.33 일부 사면에서는 10년간의 수작업 관리에도 불구하고 토양 침식으로 인해 관목이나 나무가 자라지 못하고 있으며, 금속망 표면의 흙은 일부 지역에서 씻겨 내려가고 있습니다. 부식으로 인해 일부 금속망은 균열이 생겨 위아래 토양이 모두 유실되기도 합니다(그림 1). 현재 철도 사면 부식 연구는 주로 철도 변전소 접지망 부식, 경전철에서 발생하는 누설 전류 부식, 철도 교량34,35, 선로 및 기타 차량 장비36의 부식에 초점을 맞추고 있으며, 철도 사면 보호용 금속망의 부식에 대한 연구는 보고된 바가 없습니다. 본 논문은 수위 철도 남서쪽 암반 사면에 조성된 인공 토양의 물리적, 화학적, 전기화학적 특성을 연구하여 토양 특성 평가를 통해 금속 부식을 예측하고, 토양 생태계 복원 및 인공 사면 복원을 위한 이론적, 실질적 근거를 제시하고자 합니다.
시험 지역은 쓰촨성(북위 30°32′, 동경 105°32′)의 구릉지대, 쑤이닝 기차역 근처에 위치해 있습니다. 쓰촨 분지 중앙에 자리 잡은 이 지역은 낮은 산과 구릉으로 이루어져 있으며, 지질 구조가 단순하고 지형이 평탄합니다. 침식, 깎임, 물의 축적 작용으로 침식된 구릉 지형이 형성되었습니다. 기반암은 주로 석회암이며, 표토는 주로 자사암과 이암으로 구성되어 있습니다. 암반의 완전성은 좋지 않고, 각진 구조를 보입니다. 연구 지역은 아열대 습윤 몬순 기후로, 이른 봄, 더운 여름, 짧은 가을, 늦겨울의 계절적 특징을 나타냅니다. 강수량이 풍부하고, 일조량과 열 자원이 풍부하며, 서리가 내리지 않는 기간이 길고(평균 285일), 기후가 온화합니다. 연평균 기온은 17.4°C이며, 가장 더운 달(8월)의 평균 기온은 27.2°C이고, 최고 기온은 39.3°C입니다. 가장 추운 달은 1월입니다. 최고 기온은 6.5°C이고, 최저 기온은 -3.8°C입니다. 연평균 강수량은 920mm로, 주로 7월과 8월에 집중됩니다. 봄, 여름, 가을, 겨울의 강수량은 큰 차이를 보이며, 각 계절별 강수량은 연간 강수량의 19~21%, 51~54%, 22~24%, 4~5%를 차지합니다.
연구 대상지는 2003년에 건설된 위수이 철도의 경사면에 위치한 약 45° 경사의 지점입니다. 2012년 4월 당시, 이 지점은 쑤이닝 기차역에서 1km 이내의 남향에 있었습니다. 자연 사면을 대조군으로 사용하였다. 사면의 생태 복원은 외래종 표토 살포 기술을 적용하여 수행하였다. 철도 사면의 높이에 따라 사면을 상부, 중부, 하부로 구분하였다(그림 2). 절토 사면의 인공 토양 두께가 약 10cm이므로, 토양 금속망의 부식 생성물 오염을 방지하기 위해 스테인리스 삽을 사용하여 토양 표면 0~8cm 깊이까지만 채취하였다. 각 사면 위치에 대해 4개의 반복구를 설정하고, 반복구당 15~20개의 무작위 샘플링 지점을 설정하였다. 각 반복구는 S자형 선 샘플링 지점에서 무작위로 결정된 15~20개의 샘플로 구성되며, 생중량은 약 500g이다. 채취한 샘플은 폴리에틸렌 지퍼백에 담아 실험실로 운반하여 처리하였다. 토양은 자연 건조시킨 후, 자갈과 동식물 잔류물을 제거하고, 마노 막대로 분쇄한 다음 20메쉬 체로 걸러냈다. 굵은 입자를 제외하고는 100메쉬 나일론 체를 사용합니다.
토양 저항률은 Shengli Instrument Company에서 제작한 VICTOR4106 접지 저항 측정기를 사용하여 현장에서 측정하였다. 토양 수분 함량은 건조법으로 측정하였다. DMP-2 휴대용 디지털 mV/pH 측정기는 토양 부식 전위 측정에 적합한 높은 입력 임피던스를 특징으로 한다. 전위 기울기와 산화환원 전위는 DMP-2 휴대용 디지털 mV/pH 측정기를 이용하여 측정하였다. 토양 내 총 용해성 염류는 잔류 건조법으로, 토양 내 염화이온 함량은 AgNO₃ 적정법(Mohr법)으로, 토양 황산염 함량은 간접 EDTA 적정법으로, 토양 탄산염 및 중탄산염 함량은 이중 지시약 적정법으로, 토양 유기물 함량은 중크롬산칼륨 산화 가열법으로, 토양 알칼리 가수분해 질소 함량은 알칼리 용액 확산법으로, 토양 알칼리 가수분해 질소 함량은 H₂SO₄-HClO₄ 분해 Mo-Sb 비색법으로 측정하였다. 토양 내 총 인 함량과 유효 인 함량은 Olsen법(추출 용액으로 0.05 mol/L NaHCO₃ 용액 사용)으로, 토양 내 총 칼륨 함량은 수산화나트륨 융해-불꽃 광도계로 측정하였다.
실험 데이터는 먼저 체계화되었습니다. SPSS Statistics 20을 사용하여 평균, 표준 편차, 일원 분산 분석 및 상관 분석을 수행했습니다.
표 1은 경사도가 다른 토양의 전기역학적 특성, 음이온 및 영양소를 나타낸다. 부식 전위, 토양 저항률 및 동서 방향 전위 경사는 경사도에 따라 모두 유의미한 차이를 보였다(P < 0.05). 내리막 경사, 중간 경사 및 자연 경사의 산화환원 전위 또한 유의미한 차이를 보였다(P < 0.05). 레일에 수직인 방향의 전위 경사, 즉 남북 방향 전위 경사는 오르막 경사 > 내리막 경사 > 중간 경사 순이었다. 토양 pH 값은 내리막 경사 > 오르막 경사 > 중간 경사 > 자연 경사 순이었다. 총 용해성 염분 함량은 자연 경사에서 철도 경사보다 유의미하게 높았다(P < 0.05). 3등급 철도 경사 토양의 총 용해성 염분 함량은 500mg/kg 이상이며, 금속 부식에 중간 정도의 영향을 미친다. 토양 유기물 함량은 자연 경사에서 가장 높았고 내리막 경사에서 가장 낮았다(P < 0.05). 총 질소 함량은 중간 경사에서 가장 높았고 내리막 경사에서 가장 낮았다. 오르막 경사면의 경우, 유효 질소 함량은 내리막 경사면과 중간 경사면에서 가장 높았고, 자연 경사면에서 가장 낮았습니다. 철도 오르막과 내리막 경사면의 총 질소 함량은 낮았지만, 유효 질소 함량은 높았습니다. 이는 오르막과 내리막 경사면에서 유기 질소의 무기화 속도가 빠르다는 것을 나타냅니다. 유효 칼륨 함량은 유효 인 함량과 동일했습니다.
토양 저항률은 전기 전도도를 나타내는 지표이며 토양 부식성을 판단하는 기본 매개변수입니다. 토양 저항률에 영향을 미치는 요인으로는 수분 함량, 총 용해성 염분 함량, pH, 토양 질감, 온도, 유기물 함량, 토양 온도 및 밀폐성 등이 있습니다. 일반적으로 저항률이 낮은 토양은 부식성이 강하고, 반대로 저항률이 높은 토양은 부식성이 약합니다. 저항률을 이용하여 토양 부식성을 판단하는 방법은 여러 국가에서 일반적으로 사용됩니다. 표 1은 각 지표별 부식성 등급 평가 기준을 보여줍니다.37,38
우리나라의 시험 결과 및 기준(표 1)에 따르면, 토양의 부식성을 토양 저항률만으로 평가할 경우, 오르막 경사면의 토양은 부식성이 매우 높고, 내리막 경사면의 토양은 부식성이 중간 정도이며, 중간 경사면과 자연 경사면의 토양은 부식성이 비교적 약합니다.
경사면 상부의 토양 저항률은 경사면의 다른 부분보다 현저히 낮으며, 이는 빗물 침식 때문일 수 있습니다. 상부 경사면의 표토는 물과 함께 경사면 중간 부분으로 흘러내려가므로, 상부 경사면의 금속 방호망이 표토에 매우 가깝게 설치되어 있습니다. 일부 금속망은 노출되어 있거나 심지어 공중에 떠 있는 경우도 있습니다(그림 1). 토양 저항률은 현장에서 측정되었으며, 말뚝 간격은 3m, 말뚝 박기 깊이는 15cm 미만이었습니다. 노출된 금속망과 벗겨진 녹은 측정 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 토양 저항률만으로 토양 부식성을 평가하는 것은 신뢰할 수 없습니다. 부식에 대한 종합적인 평가에서 상부 경사면의 토양 저항률은 고려되지 않았습니다.
쓰촨 지역은 습도가 높고 연중 습한 공기가 지속되기 때문에 공기에 노출된 철망은 토양에 묻힌 철망보다 부식이 더 심하게 일어납니다.39 철망이 공기에 노출되면 수명이 단축되어 경사면 토양이 불안정해질 수 있습니다. 토양 유실은 식물, 특히 목본 식물의 생장을 어렵게 합니다. 목본 식물이 부족하면 경사면에 뿌리 시스템이 제대로 형성되어 토양을 단단하게 다지기 어렵습니다. 동시에 식물 생장은 토양의 질을 개선하고 부식질 함량을 증가시켜 수분 보유력을 높일 뿐만 아니라 동식물의 생장과 번식에 좋은 환경을 제공하여 토양 유실을 줄일 수 있습니다. 따라서 시공 초기 단계에서 경사면에 더 많은 목본 식물 종자를 파종하고, 수분 보유제를 지속적으로 첨가하고, 보호막으로 덮어 빗물에 의한 경사면 토양 침식을 줄여야 합니다.
부식 전위는 3단 경사면에서 사면 보호망의 부식에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 특히 오르막 경사면에서 가장 큰 영향을 미칩니다(표 2). 정상적인 조건에서 부식 전위는 주어진 환경에서 크게 변하지 않습니다. 눈에 띄는 변화는 누설 전류에 의해 발생할 수 있습니다. 누설 전류는 대중교통 시스템 차량 운행 시 노반 및 토양 매질로 누출되는 전류를 말합니다. 교통 시스템의 발달과 함께 우리나라의 철도 교통 시스템은 대규모 전철화를 달성했으며, 전철에서 발생하는 직류 누설로 인한 매설 금속의 부식은 무시할 수 없습니다. 현재 토양 전위 경사를 이용하여 토양에 누설 전류가 존재하는지 여부를 판단할 수 있습니다. 표토의 전위 경사가 0.5mV/m 미만이면 누설 전류가 낮고, 0.5mV/m에서 5.0mV/m 사이이면 누설 전류가 중간 정도입니다. 전위차가 5.0mV/m보다 클 때 누설 전류 수준이 높습니다. 그림 3은 중간 경사면, 상부 경사면 및 하부 경사면의 전위차(EW)의 변동 범위를 보여줍니다. 변동 범위 측면에서 볼 때, 중간 경사면에서는 동서 방향과 남북 방향으로 중간 정도의 누설 전류가 발생합니다. 따라서 누설 전류는 중간 경사면과 하부 경사면, 특히 중간 경사면에서 금속망의 부식에 영향을 미치는 중요한 요인입니다.
일반적으로 토양 산화환원 전위(Eh)가 400mV 이상이면 산화 능력이 강하고, 0~200mV 사이이면 중간 정도의 환원 능력, 0mV 미만이면 강한 환원 능력을 나타낸다. 토양 산화환원 전위가 낮을수록 토양 미생물의 금속 부식 능력이 커진다.44 따라서 산화환원 전위를 통해 토양 미생물 부식 경향을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 세 경사지의 토양 산화환원 전위가 모두 500mV 이상이고 부식 수준이 매우 낮은 것으로 나타났다. 이는 경사지의 토양 통풍 조건이 양호하여 토양 내 혐기성 미생물의 부식에 불리한 환경임을 보여준다.
이전 연구들은 토양 pH가 토양 침식에 미치는 영향이 뚜렷하다는 것을 밝혀냈습니다. pH 값의 변동은 금속 재료의 부식 속도에 상당한 영향을 미칩니다. 토양 pH는 토양의 면적 및 미생물과 밀접한 관련이 있습니다.45,46,47 일반적으로 약알칼리성 토양에서 토양 pH가 금속 재료 부식에 미치는 영향은 미미합니다. 세 철도 사면의 토양은 모두 알칼리성이므로 pH가 금속망 부식에 미치는 영향은 약합니다.
표 3에서 볼 수 있듯이 상관 분석 결과 산화환원 전위와 기울기 위치는 유의미한 양의 상관관계(R2 = 0.858)를, 부식 전위와 전위 기울기(SN)는 유의미한 양의 상관관계(R2 = 0.755)를, 그리고 산화환원 전위와 전위 기울기(SN)는 유의미한 양의 상관관계(R2 = 0.755)를 나타내는 것으로 나타났다. 전위와 pH 사이에는 유의미한 음의 상관관계가 있었다(R2 = -0.724). 경사면 위치는 산화환원 전위와 유의미한 양의 상관관계를 보였다. 이는 경사면 위치에 따라 미세환경에 차이가 있으며, 토양 미생물이 산화환원 전위와 밀접한 관련이 있음을 보여준다.48, 49, 50 산화환원 전위는 pH와 유의미한 음의 상관관계를 보였다.51, 52 이러한 관계는 토양 산화환원 과정 동안 pH와 Eh 값이 항상 동시에 변화하는 것은 아니지만, 음의 선형 관계를 가지고 있음을 나타낸다. 금속 부식 전위는 전자를 얻고 잃는 상대적인 능력을 나타낼 수 있다. 부식 전위는 전위 기울기(SN)와 유의미한 양의 상관관계를 보였지만, 전위 기울기는 금속의 전자 손실 용이성으로 인해 발생할 수 있다.
토양의 총 용해성 염분 함량은 토양 부식성과 밀접한 관련이 있습니다. 일반적으로 토양 염분 함량이 높을수록 토양 저항이 낮아져 토양 저항이 증가합니다. 토양 전해질에서 음이온과 다양한 농도 범위뿐만 아니라 부식에 영향을 미치는 주요 성분은 탄산염, 염화물, 황산염입니다. 또한, 토양의 총 용해성 염분 함량은 금속의 전극 전위 및 토양 산소 용해도와 같은 다른 요인의 영향을 통해 간접적으로 부식에 영향을 미칩니다.53
토양에 존재하는 용해성 염 이온 대부분은 전기화학 반응에 직접 참여하지는 않지만, 토양 저항을 통해 금속 부식에 영향을 미칩니다. 토양 염도가 높을수록 토양 전도성이 강해지고 토양 침식이 심해집니다. 자연 사면의 토양 염도 함량은 철도 사면보다 현저히 높은데, 이는 자연 사면이 식생이 풍부하여 토양과 수분 보존에 유리하기 때문일 수 있습니다. 또 다른 이유는 자연 사면은 암석 풍화 작용으로 형성된 토양 모재에서 성숙한 토양 형성이 이루어진 반면, 철도 사면 토양은 파쇄석을 기질로 하는 "인공 토양"으로 구성되어 충분한 토양 형성 과정을 거치지 않았기 때문일 수 있습니다. 미네랄이 방출되지 않았습니다. 또한, 자연 경사면의 심토에 있는 염분 이온은 표면 증발 과정에서 모세관 현상에 의해 상승하여 표토에 축적되면서 표토의 염분 이온 함량이 증가했습니다. 철도 경사면의 토양 두께는 20cm 미만이므로 표토가 심토의 염분을 보충할 수 없습니다.
양이온(예: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ 등)은 토양 부식에 거의 영향을 미치지 않지만, 음이온은 부식의 전기화학적 과정에서 중요한 역할을 하며 금속 부식에 상당한 영향을 미칩니다. Cl−는 양극의 부식을 가속화하는 가장 부식성이 강한 음이온이며, Cl− 함량이 높을수록 토양 부식이 심해집니다. SO42−는 강철의 부식을 촉진할 뿐만 아니라 일부 콘크리트 재료의 부식도 유발합니다.54 또한 철을 부식시킵니다. 일련의 산성 토양 실험에서 부식 속도는 토양 산도에 비례하는 것으로 나타났습니다.55 염화물과 황산염은 용해성 염의 주요 성분으로, 금속의 공동화를 직접적으로 가속화할 수 있습니다. 연구에 따르면 알칼리성 토양에서 탄소강의 부식으로 인한 무게 감소는 염화물 및 황산염 이온 첨가량에 거의 비례합니다.56,57 Lee 등은 SO42−가 부식을 억제할 수 있지만 이미 형성된 부식 구덩이의 발달을 촉진할 수 있음을 발견했습니다.58
토양 부식성 평가 기준 및 시험 결과에 따르면, 각 경사면 토양 시료의 염화이온 함량은 100mg/kg 이상으로 토양 부식성이 강한 것으로 나타났습니다. 상류 및 하류 경사면 모두 황산염 이온 함량은 200mg/kg 이상 500mg/kg 미만으로 토양 부식 정도가 중간 수준이었습니다. 중간 경사면의 황산염 이온 함량은 200mg/kg 미만으로 토양 부식 정도가 약한 것으로 나타났습니다. 토양 매질에 황산염 이온이 고농도로 존재할 경우, 반응에 참여하여 금속 전극 표면에 부식 스케일을 생성함으로써 부식 반응 속도를 늦춥니다. 농도가 증가함에 따라 스케일이 갑자기 파괴되어 부식 속도가 크게 가속화될 수 있으며, 농도가 계속 증가하면 부식 스케일이 금속 전극 표면을 덮어 부식 속도가 다시 느려지는 경향을 보입니다.59 본 연구에서는 토양 내 황산염 이온의 양이 적어 부식에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났습니다.
표 4에 따르면, 경사와 토양 음이온 간의 상관관계를 분석한 결과, 경사와 염화이온 사이에 유의미한 양의 상관관계(R2=0.836)가, 경사와 총 용해성 염류 사이에 유의미한 양의 상관관계(R2=0.742)가 있는 것으로 나타났다.
이는 표면 유출과 토양 침식이 토양 내 총 용해성 염류 변화의 원인일 수 있음을 시사합니다. 총 용해성 염류와 염화 이온 사이에는 유의미한 양의 상관관계가 있었는데, 이는 총 용해성 염류가 염화 이온의 총량을 나타내고, 총 용해성 염류 함량이 토양 용액 내 염화 이온 함량을 결정하기 때문일 수 있습니다. 따라서 경사도의 차이가 금속망 부분의 심각한 부식을 유발할 수 있음을 알 수 있습니다.
유기물, 총 질소, 유효 질소, 유효 인, 유효 칼륨은 토양의 기본 영양소로, 토양의 질과 뿌리 시스템의 영양소 흡수에 영향을 미칩니다. 토양 영양소는 토양 미생물에 영향을 미치는 중요한 요소이므로, 토양 영양소와 금속 부식 사이의 상관관계를 연구할 가치가 있습니다. 수이위 철도는 2003년에 완공되었으므로, 인공 토양은 유기물 축적이 9년밖에 되지 않았습니다. 따라서 인공 토양의 특수성을 고려할 때, 인공 토양의 영양소에 대한 정확한 이해가 필요합니다.
연구 결과에 따르면, 토양 형성 과정 전체를 거친 후 자연 경사면 토양의 유기물 함량이 가장 높았으며, 저경사면 토양의 유기물 함량은 가장 낮았습니다. 풍화 작용과 표면 유출의 영향으로 토양 영양분은 중경사면과 하경사면에 축적되어 두꺼운 부식층을 형성합니다. 그러나 저경사면 토양은 입자가 작고 안정성이 떨어져 유기물이 미생물에 의해 쉽게 분해됩니다. 조사 결과, 중경사면과 하경사면의 식생 피복률과 다양성은 높았지만 균일성은 낮아 표면 영양분의 불균일한 분포를 초래할 수 있는 것으로 나타났습니다. 두꺼운 부식층은 수분을 보유하고 토양 미생물의 활동을 촉진하여 토양 내 유기물 분해를 가속화합니다.
상류, 중류, 하류 철도 사면의 알칼리 가수분해 질소 함량은 자연 사면보다 높았으며, 이는 철도 사면의 유기 질소 무기화 속도가 자연 사면보다 현저히 높다는 것을 나타냅니다. 입자가 작을수록 토양 구조가 불안정해지고 미생물이 응집체 내 유기물을 분해하기 쉬워지며 무기화된 유기 질소의 양이 많아집니다.60,61 연구 결과와 일치하게, 철도 사면 토양의 미세 입자 응집체 함량은 자연 사면보다 현저히 높았습니다. 따라서 철도 사면 토양의 비료, 유기물, 질소 함량을 높이고 토양의 지속 가능한 이용을 개선하기 위한 적절한 조치가 필요합니다. 표층 유출로 인한 유효 인과 유효 칼륨의 손실은 철도 사면 총 손실량의 77.27%~99.79%를 차지합니다. 표층 유출은 사면에서 유효 영양소 손실의 주요 원인일 수 있습니다. 토양63,64,65.
표 4에서 볼 수 있듯이, 경사면 위치와 유효인 함량 사이에는 유의미한 양의 상관관계(R2=0.948)가 있었고, 경사면 위치와 유효칼륨 함량 사이에도 동일한 상관관계(R2=0.898)가 나타났다. 이는 경사면 위치가 토양 내 유효인과 유효칼륨 함량에 영향을 미친다는 것을 보여준다.
경사도는 토양 유기물 함량과 질소 부화에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 경사도가 작을수록 부화율이 높아진다. 토양 영양분 부화의 경우, 영양분 손실이 줄어들었으며, 경사 위치가 토양 유기물 함량과 총 질소 부화에 미치는 영향은 뚜렷하지 않았다. 서로 다른 경사면에 심어진 식물의 종류와 개체 수는 식물 뿌리에서 분비되는 유기산의 종류와 양에 따라 다르다. 유기산은 토양 내 유효 인과 유효 칼륨의 고정에 도움이 된다. 따라서 경사 위치와 유효 인, 그리고 경사 위치와 유효 칼륨 사이에는 유의미한 상관관계가 있었다.
토양 영양소와 토양 부식 간의 관계를 명확히 하기 위해서는 상관관계 분석이 필요하다. 표 5에서 볼 수 있듯이, 산화환원 전위는 유효 질소(R2 = -0.845)와 유의미한 음의 상관관계를, 유효 인(R2 = 0.842) 및 유효 칼륨(R2 = 0.980)과는 유의미한 양의 상관관계를 나타냈다. 산화환원 전위는 토양의 물리적, 화학적 특성에 영향을 받는 산화환원 상태를 반영하며, 이는 토양의 여러 특성에 영향을 미친다. 따라서 산화환원 전위는 토양 영양소 전환 방향을 결정하는 중요한 요소이다.67 산화환원 상태의 차이는 영양소의 상태 및 가용성에 차이를 초래할 수 있다. 그러므로 산화환원 전위는 유효 질소, 유효 인, 유효 칼륨과 유의미한 상관관계를 나타낸다.
금속의 특성 외에도 부식 전위는 토양의 특성과도 관련이 있습니다. 부식 전위는 유기물 함량과 유의미한 음의 상관관계를 보였는데, 이는 유기물이 부식 전위에 상당한 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 또한, 유기물은 전위 기울기(SN)(R2=-0.713) 및 황산염 이온(R2=-0.671)과도 유의미한 음의 상관관계를 나타냈는데, 이는 유기물 함량이 전위 기울기(SN) 및 황산염 이온에도 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 토양 pH와 유효 칼륨 함량 사이에도 유의미한 음의 상관관계(R2 = -0.728)가 있었습니다.
유효 질소는 총 용해성 염류 및 염화 이온과 유의미한 음의 상관관계를 보였고, 유효 인과 유효 칼륨은 총 용해성 염류 및 염화 이온과 유의미한 양의 상관관계를 보였다. 이는 유효 영양소 함량이 토양 내 총 용해성 염류 및 염화 이온의 양에 유의미한 영향을 미치며, 토양 내 음이온은 유효 영양소의 축적 및 공급에 불리하게 작용함을 나타낸다. 총 질소는 황산염 이온과 유의미한 음의 상관관계를, 중탄산염 이온과는 유의미한 양의 상관관계를 보여 총 질소가 황산염 및 중탄산염 함량에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 식물은 황산염 이온과 중탄산염 이온을 거의 필요로 하지 않으므로, 대부분은 토양에 자유롭게 존재하거나 토양 콜로이드에 흡수된다. 중탄산염 이온은 토양 내 질소 축적을 촉진하고, 황산염 이온은 토양 내 질소의 가용성을 감소시킨다. 따라서 토양 내 유효 질소와 부식질 함량을 적절히 증가시키는 것은 토양 부식성을 줄이는 데 도움이 된다.
토양은 복잡한 구성과 특성을 지닌 시스템입니다. 토양 부식성은 여러 요인의 복합적인 작용 결과입니다. 따라서 토양 부식성을 평가하기 위해 일반적으로 종합적인 평가 방법이 사용됩니다. "지반공학 조사 기준"(GB50021-94) 및 중국 토양 부식 시험 네트워크의 시험 방법을 참고하여 토양 부식 등급은 다음과 같은 기준으로 종합적으로 평가할 수 있습니다. (1) 약한 부식만 있고 중간 부식이나 강한 부식이 없는 경우 약한 부식으로 평가합니다. (2) 강한 부식이 없는 경우 중간 부식으로 평가합니다. (3) 강한 부식이 한두 군데 있는 경우 강한 부식으로 평가합니다. (4) 강한 부식이 세 군데 이상 있는 경우 심각한 강한 부식으로 평가합니다.
토양 저항률, 산화환원 전위, 수분 함량, 염분 함량, pH 값, Cl- 및 SO42- 함량을 기준으로 다양한 경사면의 토양 시료에 대한 부식 정도를 종합적으로 평가하였다. 연구 결과, 모든 경사면의 토양이 높은 부식성을 나타내는 것으로 나타났다.
부식 전위는 사면 보호망의 부식에 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 세 사면의 부식 전위는 모두 -200mV 미만으로, 이는 상류 사면의 금속망 부식에 가장 큰 영향을 미칩니다. 전위 구배는 토양 내 누설 전류의 크기를 판단하는 데 사용될 수 있습니다. 누설 전류는 특히 중류 사면과 상류 사면, 그리고 특히 중류 사면에서 금속망 부식에 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 상류, 중류, 하류 사면 토양의 총 용해성 염분 함량은 모두 500mg/kg 이상이었으며, 사면 보호망 부식에 미치는 영향은 중간 정도였습니다. 토양 수분 함량은 중류 사면과 하류 사면의 금속망 부식에 영향을 미치는 중요한 요인이며, 특히 상류 사면의 금속망 부식에 더 큰 영향을 미칩니다. 중류 사면 토양에는 영양분이 가장 풍부하여 미생물 활동이 활발하고 식물 생장이 빠르다는 것을 나타냅니다.
연구 결과에 따르면 부식 전위, 전위차, 총 용존 염분 함량 및 수분 함량이 세 사면의 토양 부식에 영향을 미치는 주요 요인이며, 토양 부식성은 강한 것으로 평가되었습니다. 사면 보호망의 부식은 중간 사면에서 가장 심각하며, 이는 철도 사면 보호망의 부식 방지 설계에 참고 자료를 제공합니다. 유효 질소와 유기질 비료를 적절히 첨가하면 토양 부식을 줄이고 식물 성장을 촉진하여 궁극적으로 사면을 안정화하는 데 도움이 됩니다.
이 논문을 인용하는 방법: Chen, J. et al. 중국 철도 노선을 따라 암석 경사 네트워크의 부식에 대한 토양 구성 및 전기화학적 영향. 과학 보고서 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
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