Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad užtikrintumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodysime be stilių ir „JavaScript“.
Tyrimo objektu imant Sui-Čongčingo geležinkelio šlaitą, buvo tiriamas dirvožemio varža, dirvožemio elektrochemija (korozijos potencialas, redokso potencialas, potencialo gradientas ir pH), dirvožemio anijonai (bendras tirpių druskų, Cl-, SO42- ir) ir dirvožemio maistinės medžiagos (drėgmės kiekis, organinės medžiagos, bendras azotas, šarmų hidrolizuotas azotas, laisvasis fosforas, laisvasis kalis). Esant skirtingiems šlaitams, korozijos laipsnis vertinamas pagal individualius ir išsamius dirbtinio dirvožemio rodiklius. Palyginti su kitais veiksniais, didžiausią įtaką šlaito apsauginio tinklo korozijai daro vanduo, po jo seka anijonų kiekis. Bendras tirpių druskų kiekis daro vidutinę įtaką šlaito apsauginio tinklo korozijai, o klaidžiojanti srovė – vidutinę. Išsamiai įvertintas dirvožemio mėginių korozijos laipsnis, viršutinio šlaito korozija buvo vidutinė, o vidurinio ir apatinio šlaitų – stipri. Dirvožemyje esančios organinės medžiagos reikšmingai koreliavo su potencialo gradientu. Laisvas azotas, laisvasis kalis ir laisvasis fosforas reikšmingai koreliavo su anijonais. Dirvožemio maistinių medžiagų pasiskirstymas netiesiogiai susijęs su šlaito tipu.
Tiesiant geležinkelius, greitkelius ir vandens išteklių valdymo įrenginius, kalnų plyšiai dažnai yra neišvengiami. Dėl kalnų pietvakariuose Kinijos geležinkelių statyba reikalauja daug kalnų kasimo darbų. Tai sunaikina pirminį dirvožemį ir augmeniją, sukurdama atvirus uolėtus šlaitus. Dėl to susidaro nuošliaužos ir dirvožemio erozija, todėl kyla grėsmė geležinkelių transporto saugumui. Nuošliaužos kenkia kelių eismui, ypač po 2008 m. gegužės 12 d. įvykusio Venčuano žemės drebėjimo. Nuošliaužos tapo plačiai paplitusia ir rimta žemės drebėjimo katastrofa1. 2008 m. įvertinus 4 243 kilometrų pagrindinių magistralinių kelių Sičuano provincijoje, užfiksuoti 1 736 stiprūs žemės drebėjimai, paveikę kelio sankasas ir šlaitų atramines sienas, tai sudarė 39,76 % viso įvertinto ilgio. Tiesioginiai ekonominiai nuostoliai dėl kelių žalos viršijo 58 milijardus juanių 2,3. Pasauliniai pavyzdžiai rodo, kad po žemės drebėjimo sukelti geologiniai pavojai gali trukti mažiausiai 10 metų (žemės drebėjimas Taivane) ir net 40–50 metų (Kanto žemės drebėjimas Japonijoje) 4,5. Nuolydis yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos žemės drebėjimų pavojui 6,7. Todėl būtina išlaikyti kelio nuolydį ir stiprinti jo stabilumą. Augalai atlieka nepakeičiamą vaidmenį šlaitų apsaugoje ir ekologinio kraštovaizdžio atkūrime 8. Palyginti su įprastais dirvožemio šlaitais, uolėtų šlaitų dirvožemyje nesikaupia maistinių medžiagų, tokių kaip organinės medžiagos, azotas, fosforas ir kalis, ir juose nėra dirvožemio aplinkos, reikalingos augmenijai augti. Dėl tokių veiksnių kaip didelis nuolydis ir lietaus erozija, šlaito dirvožemis lengvai prarandamas. Šlaito aplinka yra atšiauri, trūksta... Augalams augti būtinos sąlygos, o šlaito dirvožemiui trūksta atraminio stabilumo9. Šlaito purškimas pagrindo medžiaga, skirta apsaugoti šlaitą, yra mano šalyje dažnai naudojama šlaito ekologinio atkūrimo technologija. Dirbtinis dirvožemis, naudojamas purškimui, sudarytas iš skaldos, dirbamos žemės dirvožemio, šiaudų, sudėtinių trąšų, vandenį sulaikančios medžiagos ir klijų (dažniausiai naudojami klijai yra portlandcementis, organiniai klijai ir asfalto emulsiklis) ​​tam tikru santykiu. Techninis procesas yra toks: pirmiausia ant uolos paklojama spygliuota viela, tada ji pritvirtinama kniedėmis ir inkariniais varžtais, o galiausiai specialiu purkštuvu ant šlaito purškiamas dirbtinis dirvožemis su sėklomis. Dažniausiai naudojamas 14# rombo formos metalinis tinklelis, visiškai cinkuotas, kurio akučių dydis yra 5 cm × 5 cm, o skersmuo – 2 mm. Metalinis tinklelis leidžia dirvožemio matricai suformuoti patvarią monolitinę plokštę ant uolienos paviršiaus. Metalinis tinklelis dirvožemyje koroduos, nes pats dirvožemis yra elektrolitas, o korozijos laipsnis priklauso nuo dirvožemio savybių. Dirvožemio korozijos veiksnių įvertinimas yra labai svarbus vertinant dirvožemio sukeltą metalinio tinklelio eroziją ir šalinant nuošliaužų pavojų.
Manoma, kad augalų šaknys atlieka lemiamą vaidmenį šlaitų stabilizavime ir erozijos kontrolėje10,11,12,13,14. Šlaitams stabilizuoti nuo negilių nuošliaužų galima naudoti augmeniją, nes augalų šaknys gali pritvirtinti dirvožemį ir išvengti nuošliaužų15,16,17. Sumedėjusi augmenija, ypač medžiai, padeda išvengti negilių nuošliaužų18. Tvirta apsauginė konstrukcija, kurią sudaro vertikalios ir šoninės augalų šaknų sistemos, kurios dirvožemyje veikia kaip sutvirtinančios poliai. Šaknų architektūros modelių vystymąsi lemia genai, o dirvožemio aplinka atlieka lemiamą vaidmenį šiuose procesuose. Metalų korozija priklauso nuo dirvožemio aplinkos20. Metalų korozijos laipsnis dirvožemyje gali svyruoti nuo gana greito ištirpimo iki nereikšmingo poveikio21. Dirbtinis dirvožemis labai skiriasi nuo tikrojo „dirvožemio“. Natūralių dirvožemių susidarymas yra išorinės aplinkos ir įvairių organizmų sąveikos per dešimtis milijonų metų rezultatas22,23,24. Prieš tai, kai sumedėjusi augmenija suformuoja stabilią šaknų sistemą ir ekosistemą, tai, ar metalinis tinklas kartu su uolienų šlaitu ir dirbtiniu dirvožemiu gali saugiai funkcionuoti, yra tiesiogiai susiję su gamtinės ekonomikos plėtra, gyvybės saugumu ir... ekologinės aplinkos gerinimas.
Tačiau metalų korozija gali sukelti didžiulius nuostolius. Remiantis Kinijoje devintojo dešimtmečio pradžioje atliktu chemijos mašinų ir kitų pramonės šakų tyrimu, metalų korozijos sukelti nuostoliai sudarė 4 % visos produkcijos vertės. Todėl labai svarbu ištirti korozijos mechanizmą ir imtis apsaugos priemonių ekonominei statybai. Dirvožemis yra sudėtinga dujų, skysčių, kietųjų dalelių ir mikroorganizmų sistema. Mikrobiniai metabolitai gali korozuoti medžiagas, o klaidžiojančios srovės taip pat gali sukelti koroziją. Todėl svarbu užkirsti kelią dirvožemyje esančių metalų korozijai. Šiuo metu užkastų metalų korozijos tyrimai daugiausia skirti (1) veiksniams, turintiems įtakos užkastų metalų korozijai25; (2) metalų apsaugos metodams26,27; (3) metalų korozijos laipsnio nustatymo metodams28; korozijai skirtingose ​​terpėse. Tačiau visi tyrime dalyvavę dirvožemiai buvo natūralūs ir juose vyko pakankami dirvožemio formavimosi procesai. Tačiau nėra pranešimų apie dirbtinę geležinkelio uolienų šlaitų eroziją.
Palyginti su kitomis korozinėmis terpėmis, dirbtinis dirvožemis pasižymi nelikvidumu, heterogeniškumu, sezoniškumu ir regioniniu ypatumu. Metalų koroziją dirbtiniuose dirvožemiuose sukelia elektrocheminė metalų ir dirbtinių dirvožemių sąveika. Be įgimtų veiksnių, metalų korozijos greitis taip pat priklauso nuo supančios aplinkos. Metalų koroziją veikia įvairūs veiksniai atskirai arba kartu, pavyzdžiui, drėgmės kiekis, deguonies kiekis, bendras tirpių druskų kiekis, anijonų ir metalų jonų kiekis, pH, dirvožemio mikrobai30,31,32.
Per 30 praktikos metų nuolat buvo svarstoma, kaip visam laikui išsaugoti dirbtinius dirvožemius uolėtuose šlaituose33. Kai kuriuose šlaituose po 10 metų rankinės priežiūros dėl dirvožemio erozijos negali augti krūmai ar medžiai. Kai kuriose vietose metalinio tinklo paviršiuje buvę nešvarumai buvo nuplauti. Dėl korozijos kai kurie metaliniai tinklai įtrūko ir prarado visą dirvožemį virš ir po jais (1 pav.). Šiuo metu geležinkelio šlaitų korozijos tyrimai daugiausia skirti geležinkelio pastotės įžeminimo tinklo korozijai, lengvojo geležinkelio sukeliamai klaidžiojančių srovių korozijai ir geležinkelio tiltų34,35, bėgių ir kitos transporto įrangos36 korozijai. Nėra pranešimų apie geležinkelio šlaito apsauginio metalinio tinklo koroziją. Šiame straipsnyje nagrinėjamos dirbtinių dirvožemių fizikinės, cheminės ir elektrocheminės savybės Suiyu geležinkelio pietvakariniame uolėtame šlaite, siekiant numatyti metalo koroziją įvertinant dirvožemio savybes ir pateikti teorinį bei praktinį pagrindą dirvožemio ekosistemos atkūrimui ir dirbtiniam atkūrimui. Dirbtinis šlaitas.
Bandymų vieta yra kalnuotoje Sičuano vietovėje (30°32′ šiaurės platumos, 105°32′ rytų ilgumos), netoli Suiningo geležinkelio stoties. Ši vietovė yra Sičuano baseino viduryje, su žemais kalnais ir kalvomis, paprasta geologine struktūra ir lygiu reljefu. Erozija, plyšimas ir vandens kaupimasis sukuria eroduotą kalnuotą kraštovaizdį. Pamatinę uolieną daugiausia sudaro klintis, o viršutinį sluoksnį – daugiausia purpurinis smėlis ir molio akmuo. Vientisumas prastas, o uoliena – blokinė. Tyrimo vietovėje vyrauja subtropinis drėgnas musoninis klimatas, kuriam būdingi ankstyvo pavasario, karštos vasaros, trumpo rudens ir vėlyvos žiemos sezoniniai požymiai. Gausu kritulių, gausu šviesos ir šilumos išteklių, ilgas laikotarpis be šalnų (vidutiniškai 285 dienos), klimatas švelnus, vidutinė metinė temperatūra yra 17,4 °C, karščiausio mėnesio (rugpjūčio) vidutinė temperatūra yra 27,2 °C, o maksimali temperatūra yra 39,3 °C. Šalčiausias mėnuo yra sausis (vidutinė temperatūra yra 6,5 ​​°C), minimali temperatūra yra -3,8 °C, o vidutinis metinis kritulių kiekis yra 920 mm, daugiausia liepos ir rugpjūčio mėnesiais. Pavasario, vasaros, rudens ir žiemos kritulių kiekis labai skiriasi. Kiekvienu metų laiku kritulių dalis yra atitinkamai 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % ir 4–5 %.
Tyrimų vieta yra maždaug 45° nuolydis ant 2003 m. nutiesto Yu-Sui geležinkelio šlaito. 2012 m. balandžio mėn. ji buvo atsukta į pietus, 1 km atstumu nuo Suining geležinkelio stoties. Natūralus šlaitas buvo naudojamas kaip kontrolė. Šlaito ekologiniam atkūrimui naudojama užsienio viršutinio sluoksnio dirvožemio purškimo technologija. Pagal geležinkelio pusės šlaito aukštį šlaitą galima suskirstyti į kylantį, vidurinį ir nuožulnų šlaitą (2 pav.). Kadangi išpjauto šlaito dirbtinio dirvožemio storis yra apie 10 cm, siekiant išvengti dirvožemio metalinio tinklo korozijos produktų taršos, dirvožemio paviršiui 0–8 cm gylyje imti naudojome tik nerūdijančio plieno kastuvą. Kiekvienai šlaito pozicijai buvo nustatyti keturi pakartojimai, kiekviename atsitiktinių mėginių ėmimo taške – 15–20. Kiekvienas pakartojimas yra 15–20 atsitiktinai iš S formos linijų mėginių ėmimo taškų atrinktų mėginių mišinys. Jo šviežia masė yra apie 500 gramų. Mėginiai į laboratoriją grąžinami polietileniniuose užsegamuose maišeliuose perdirbimui. Dirvožemis natūraliai išdžiovinamas ore, o žvyras ir gyvūninės bei augalinės liekanos atrenkamos, susmulkinamos agato lazdele ir sijojamos 20 ir 100 akių nailono sietu, išskyrus stambias daleles.
Dirvožemio varža buvo matuojama „Shengli Instrument Company“ pagamintu VICTOR4106 įžeminimo varžos testeriu; dirvožemio varža buvo matuojama lauke; dirvožemio drėgmė buvo matuojama džiovinimo metodu. Nešiojamasis skaitmeninis mv/pH prietaisas DMP-2 pasižymi didele įėjimo varža, skirta dirvožemio korozijos potencialui matuoti. Potencialo gradientas ir redokso potencialas buvo nustatyti nešiojamuoju skaitmeniniu mv/pH prietaisu DMP-2, bendras tirpių druskų kiekis dirvožemyje nustatytas likučių džiovinimo metodu, chlorido jonų kiekis dirvožemyje nustatytas AgNO3 titravimo metodu (Mohro metodas), dirvožemio sulfato kiekis nustatytas netiesioginiu EDTA titravimo metodu, dvigubo indikatoriaus titravimo metodu dirvožemio karbonatui ir bikarbonatui nustatyti, kalio dichromato oksidacijos kaitinimo metodu dirvožemio organinei medžiagai nustatyti, šarminio tirpalo difuzijos metodu dirvožemio šarminės hidrolizės azotui nustatyti, H2SO4-HClO4 skaidymo Mo-Sb kolorimetriniu metodu. Bendras fosforo kiekis dirvožemyje ir prieinamo fosforo kiekis dirvožemyje nustatytas Olseno metodu (0,05 mol/l NaHCO3 tirpalas kaip ekstraktantas), o bendras kalio kiekis dirvožemyje nustatytas natrio hidroksido lydymosi-liepsnos fotometrija.
Iš pradžių eksperimentiniai duomenys buvo susisteminti. Vidurkių, standartinio nuokrypio, vienfaktorinė ANOVA ir žmonių koreliacijos analizė atlikta naudojant SPSS Statistics 20 programą.
1 lentelėje pateikiamos skirtingo nuolydžio dirvožemių elektromechaninės savybės, anijonai ir maistinės medžiagos. Skirtingų šlaitų korozijos potencialas, dirvožemio varža ir rytų-vakarų potencialo gradientas buvo reikšmingi (P < 0,05). Nuokalnės, vidurio šlaito ir natūralaus šlaito redokso potencialai buvo reikšmingi (P < 0,05). Bėgiui statmenas potencialo gradientas, t. y. šiaurės-pietų potencialo gradientas, yra įkalnė>nuokalnė>vidurinis šlaitas. Dirvožemio pH vertė buvo tokia: nuokalnė>įkalnė>vidurinis šlaitas>natūralus šlaitas. Bendras tirpių druskų kiekis natūraliame šlaite buvo žymiai didesnis nei geležinkelio šlaite (P < 0,05). Bendras tirpių druskų kiekis trečios rūšies geležinkelio šlaito dirvožemyje viršija 500 mg/kg, o bendras tirpių druskų kiekis metalų korozijai daro vidutinį poveikį. Dirvožemio organinių medžiagų kiekis buvo didžiausias natūraliame šlaite ir mažiausias nuokalnės šlaite (P < 0,05). Bendras azoto kiekis buvo didžiausias viduriniame šlaite ir mažiausias įkalnės šlaite; Didžiausias prieinamo azoto kiekis buvo nuokalnėje ir viduriniame šlaite, o mažiausias – natūraliame šlaite; bendras geležinkelio įkalnės ir nuokalnės azoto kiekis buvo mažesnis, tačiau prieinamo azoto kiekis buvo didesnis. Tai rodo, kad įkalnėje ir nuokalnėje organinio azoto mineralizacijos greitis yra didelis. Prieinamo kalio kiekis yra toks pat kaip ir prieinamo fosforo.
Dirvožemio varža yra rodiklis, rodantis elektrinį laidumą, ir pagrindinis dirvožemio korozijos vertinimo parametras. Dirvožemio varžą įtakojantys veiksniai yra drėgmės kiekis, bendras tirpių druskų kiekis, pH, dirvožemio tekstūra, temperatūra, organinių medžiagų kiekis, dirvožemio temperatūra ir sandarumas. Apskritai dirvožemiai, kurių varža maža, yra labiau koroziniai ir atvirkščiai. Varžos naudojimas dirvožemio koroziškumui įvertinti yra dažniausiai naudojamas metodas įvairiose šalyse. 1 lentelėje pateikti kiekvieno atskiro rodiklio koroziškumo laipsnio vertinimo kriterijai37,38.
Remiantis mano šalyje taikomais bandymų rezultatais ir standartais (1 lentelė), jei dirvožemio koroziškumas vertinamas tik pagal dirvožemio varžą, dirvožemis įkalnėje yra labai korozinis; dirvožemis nuokalnėje yra vidutiniškai korozinis; dirvožemio koroziškumas viduriniame ir natūraliame šlaite yra santykinai mažas/silpnas.
Įkalnės šlaito grunto varža yra gerokai mažesnė nei kitų šlaito dalių, o tai gali būti dėl lietaus erozijos. Viršutinis įkalnės dirvožemio sluoksnis kartu su vandeniu teka į vidurinį šlaitą, todėl įkalnės metalinis šlaito apsaugos tinklas yra arti viršutinio dirvožemio sluoksnio. Kai kurie metaliniai tinklai buvo atidengti ir netgi pakibę ore (1 pav.). Grunto varža buvo matuojama vietoje; atstumas tarp polių buvo 3 m; polių kalimo gylis buvo mažesnis nei 15 cm. Plikas metalinis tinklas ir besilupanti rūdys gali iškreipti matavimo rezultatus. Todėl dirvožemio koroziškumą vertinti vien pagal grunto varžos indeksą yra nepatikima. Atliekant išsamų korozijos vertinimą, į įkalnės grunto varžą neatsižvelgiama.
Dėl didelės santykinės oro drėgmės Sičuano regione nuolat vyraujantis drėgnas oras metalinį tinklą, veikiamą oro, koroduoja labiau nei dirvožemyje įkastą metalinį tinklą39. Vielinio tinklo sąlytis su oru gali sutrumpinti jo tarnavimo laiką, o tai gali destabilizuoti įkalnėse esančius dirvožemius. Dirvožemio netekimas gali apsunkinti augalų, ypač sumedėjusių, augimą. Dėl sumedėjusių augalų trūkumo įkalnėje sunku suformuoti šaknų sistemą, kuri sutvirtintų dirvožemį. Tuo pačiu metu augalų augimas taip pat gali pagerinti dirvožemio kokybę ir padidinti humuso kiekį dirvožemyje, kuris ne tik sulaiko vandenį, bet ir sudaro palankias sąlygas gyvūnų ir augalų augimui bei dauginimuisi, taip sumažinant dirvožemio netekimą. Todėl ankstyvajame statybos etape įkalnėje reikėtų sėti daugiau sumedėjusių sėklų, nuolat įterpti vandenį sulaikančios medžiagos ir apsaugoti dirvą plėvele, kad sumažėtų lietaus vandens sukeliama įkalnės dirvožemio erozija.
Korozijos potencialas yra svarbus veiksnys, turintis įtakos trijų lygių šlaito apsauginio tinklo korozijai, ir didžiausią įtaką jis daro įkalnės šlaitui (2 lentelė). Normaliomis sąlygomis korozijos potencialas tam tikroje aplinkoje labai nesikeičia. Pastebimą pokytį gali sukelti klaidžiojančios srovės. Klaidžiojančios srovės – tai 40, 41, 42 srovės, kurios prasiskverbia į kelio dangą ir dirvožemio terpę, kai transporto priemonės naudojasi viešojo transporto sistema. Tobulėjant transporto sistemai, mano šalies geležinkelių transporto sistema pasiekė didelio masto elektrifikaciją, todėl negalima ignoruoti užkastų metalų korozijos, kurią sukelia nuolatinės srovės nuotėkis iš elektrifikuotų geležinkelių. Šiuo metu dirvožemio potencialo gradientas gali būti naudojamas siekiant nustatyti, ar dirvožemyje yra klaidžiojančių srovių trikdžių. Kai paviršinio dirvožemio potencialo gradientas yra mažesnis nei 0,5 mv/m, klaidžiojanti srovė yra maža; kai potencialo gradientas yra nuo 0,5 mv/m iki 5,0 mv/m, klaidžiojanti srovė yra vidutinė; Kai potencialo gradientas yra didesnis nei 5,0 mv/m, klaidžiojančios srovės lygis yra aukštas. Potencialo gradiento (EW) svyravimo diapazonas vidurio šlaito, kylant ir nuolydžiui parodytas 3 paveiksle. Kalbant apie svyravimo diapazoną, vidutinio šlaito rytų-vakarų ir šiaurės-pietų kryptimis yra vidutinės klaidžiojančios srovės. Todėl klaidžiojanti srovė yra svarbus veiksnys, turintis įtakos metalinių tinklų korozijai viduriniame šlaite ir nuolydyje, ypač viduriniame šlaite.
Paprastai dirvožemio redokso potencialas (Eh), didesnis nei 400 mV, rodo oksidacinį gebėjimą, didesnis nei 0–200 mV – vidutinį redukcinį gebėjimą, o mažesnis nei 0 mV – didelį redukcinį gebėjimą. Kuo mažesnis dirvožemio redokso potencialas, tuo didesnis dirvožemio mikroorganizmų gebėjimas korozuoti metalus44. Pagal redokso potencialą galima numatyti dirvožemio mikrobų korozijos tendencijas. Tyrimo metu nustatyta, kad trijų šlaitų dirvožemio redokso potencialas buvo didesnis nei 500 mV, o korozijos lygis buvo labai mažas. Tai rodo, kad šlaito žemės dirvožemio vėdinimo sąlygos yra geros, o tai nepalanku anaerobinių mikroorganizmų korozijai dirvožemyje.
Ankstesni tyrimai parodė, kad dirvožemio pH poveikis dirvožemio erozijai yra akivaizdus. Keičiant pH vertę, metalinių medžiagų korozijos greitis labai priklauso. Dirvožemio pH yra glaudžiai susijęs su dirvožemio plotu ir jame esančiais mikroorganizmais45,46,47. Apskritai dirvožemio pH poveikis metalinių medžiagų korozijai silpnai šarminiame dirvožemyje nėra akivaizdus. Trijų geležinkelio šlaitų dirvožemiai yra šarminiai, todėl pH poveikis metalinio tinklo korozijai yra silpnas.
Kaip matyti iš 3 lentelės, koreliacijos analizė rodo, kad redokso potencialas ir nuolydžio padėtis yra reikšmingai teigiamai koreliuojami (R2 = 0,858), korozijos potencialas ir potencialo gradientas (SN) yra reikšmingai teigiamai koreliuojami (R2 = 0,755), o redokso potencialas ir potencialo gradientas (SN) yra reikšmingai teigiamai koreliuojami (R2 = 0,755). Nustatyta reikšminga neigiama koreliacija tarp potencialo ir pH (R2 = -0,724). Šlaito padėtis reikšmingai teigiamai koreliavo su redokso potencialu. Tai rodo, kad skirtingų šlaito padėčių mikroaplinkoje yra skirtumų, o dirvožemio mikroorganizmai yra glaudžiai susiję su redokso potencialu48, 49, 50. Redokso potencialas reikšmingai neigiamai koreliavo su pH51,52. Šis ryšys parodė, kad pH ir Eh vertės ne visada keitėsi sinchroniškai dirvožemio redokso proceso metu, o turėjo neigiamą tiesinį ryšį. Metalo korozijos potencialas gali atspindėti santykinį gebėjimą įgyti ir prarasti elektronus. Nors korozijos potencialas reikšmingai teigiamai koreliavo su potencialo gradientu (SN), potencialo gradientą gali sukelti lengvas metalo elektronų praradimas.
Bendras tirpių druskų kiekis dirvožemyje yra glaudžiai susijęs su dirvožemio koroziškumu. Apskritai, kuo didesnis dirvožemio druskingumas, tuo mažesnis dirvožemio varža, todėl padidėja dirvožemio varža. Dirvožemio elektrolituose ne tik anijonai ir įvairūs jų kiekiai, bet ir koroziją daugiausia veikia karbonatai, chloridai ir sulfatai. Be to, bendras tirpių druskų kiekis dirvožemyje netiesiogiai veikia koroziją per kitus veiksnius, tokius kaip elektrodų potencialo metaluose ir dirvožemio deguonies tirpumo poveikis53.
Dauguma dirvožemyje esančių tirpių druskos disocijuotų jonų tiesiogiai nedalyvauja elektrocheminėse reakcijose, bet per dirvožemio varžą veikia metalų koroziją. Kuo didesnis dirvožemio druskingumas, tuo didesnis dirvožemio laidumas ir tuo stipresnė dirvožemio erozija. Natūralių šlaitų dirvožemio druskingumas yra žymiai didesnis nei geležinkelio šlaitų, o tai gali būti dėl to, kad natūraliuose šlaituose gausu augmenijos, o tai palanku dirvožemio ir vandens išsaugojimui. Kita priežastis gali būti ta, kad natūraliame šlaite susiformavo subrendęs dirvožemis (dūlėjimo metu susidariusi dirvožemio pirminė medžiaga), tačiau geležinkelio šlaito dirvožemis sudarytas iš skaldos fragmentų, kaip „dirbtinio dirvožemio“ matrica, ir nėra pakankamai susiformavęs. Mineralai neišsiskiria. Be to, druskos jonai giliame natūralių šlaitų dirvožemyje pakilo dėl kapiliarinio veikimo paviršiaus garavimo metu ir kaupėsi paviršiniame dirvožemyje, todėl padidėjo druskos jonų kiekis paviršiniame dirvožemyje. Geležinkelio šlaito dirvožemio storis yra mažesnis nei 20 cm, todėl viršutinis dirvožemio sluoksnis negali papildyti druskos iš gilaus dirvožemio.
Teigiami jonai (pvz., K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ ir kt.) mažai veikia dirvožemio koroziją, o anijonai vaidina svarbų vaidmenį elektrocheminiame korozijos procese ir daro didelę įtaką metalų korozijai. Cl− gali pagreitinti anodo koroziją ir yra labiausiai korozinis anijonas; kuo didesnis Cl− kiekis, tuo stipresnė dirvožemio korozija. SO42− ne tik skatina plieno koroziją, bet ir sukelia koroziją kai kuriose betoninėse medžiagose54. Taip pat korozuoja geležį. Atlikus seriją rūgščių dirvožemių eksperimentų, nustatyta, kad korozijos greitis yra proporcingas dirvožemio rūgštingumui55. Chloridas ir sulfatas yra pagrindiniai tirpių druskų komponentai, kurie gali tiesiogiai pagreitinti metalų kavitaciją. Tyrimai parodė, kad anglinio plieno korozijos svorio sumažėjimas šarminiuose dirvožemiuose yra beveik proporcingas chlorido ir sulfato jonų pridėjimui56,57. Lee ir kt. nustatė, kad SO42− gali trukdyti korozijai, tačiau skatina jau susidariusių korozijos duobių vystymąsi58.
Remiantis dirvožemio korozijos vertinimo standartu ir bandymų rezultatais, chlorido jonų kiekis kiekviename šlaito dirvožemio mėginyje buvo didesnis nei 100 mg/kg, o tai rodo stiprų dirvožemio koroziją. Tiek įkalnės, tiek nuokalnės šlaituose sulfato jonų kiekis buvo didesnis nei 200 mg/kg ir mažesnis nei 500 mg/kg, o dirvožemis buvo vidutiniškai korozijos paveiktas. Vidurinio šlaito sulfato jonų kiekis yra mažesnis nei 200 mg/kg, o dirvožemio korozija yra silpna. Kai dirvožemio terpėje yra didelė sulfato jonų koncentracija, jie dalyvauja reakcijoje ir ant metalinio elektrodo paviršiaus susidaro korozijos apnašos, taip sulėtindamos korozijos reakciją. Didėjant koncentracijai, apnašos gali staiga suskilti, taip labai pagreitindamos korozijos greitį; toliau didėjant koncentracijai, korozijos apnašos padengia metalinio elektrodo paviršių, o korozijos greitis vėl pradeda lėtėti59. Tyrimo metu nustatyta, kad sulfato jonų kiekis dirvožemyje buvo mažesnis, todėl jie mažai paveikė koroziją.
Remiantis 4 lentele, nuolydžio ir dirvožemio anijonų koreliacija parodė, kad yra reikšminga teigiama koreliacija tarp nuolydžio ir chlorido jonų (R2 = 0,836), ir reikšminga teigiama koreliacija tarp nuolydžio ir bendro tirpių druskų kiekio (R2 = 0,742).
Tai rodo, kad paviršinis nuotėkis ir dirvožemio erozija gali būti atsakingi už bendro tirpių druskų kiekio pokyčius dirvožemyje. Nustatyta reikšminga teigiama koreliacija tarp bendro tirpių druskų kiekio ir chlorido jonų kiekio, kas gali būti dėl to, kad bendros tirpių druskų sudėtys yra chlorido jonų telkinys, o bendro tirpių druskų kiekio nustatymas lemia chlorido jonų kiekį dirvožemio tirpaluose. Todėl galime teigti, kad nuolydžio skirtumas gali sukelti didelę metalinio tinklelio dalies koroziją.
Organinės medžiagos, bendras azotas, laisvasis azotas, laisvasis fosforas ir laisvasis kalis yra pagrindinės dirvožemio maistinės medžiagos, kurios turi įtakos dirvožemio kokybei ir maistinių medžiagų įsisavinimui šaknų sistemoje. Dirvožemio maistinės medžiagos yra svarbus veiksnys, turintis įtakos dirvožemyje esantiems mikroorganizmams, todėl verta ištirti, ar yra ryšys tarp dirvožemio maistinių medžiagų ir metalų korozijos. Suiyu geležinkelis buvo baigtas 2003 m., o tai reiškia, kad dirbtiniame dirvožemyje organinės medžiagos kaupėsi tik 9 metus. Dėl dirbtinio dirvožemio ypatumų būtina gerai suprasti dirbtiniame dirvožemyje esančias maistines medžiagas.
Tyrimai rodo, kad natūralių šlaitų dirvožemyje organinių medžiagų kiekis yra didžiausias po viso dirvožemio susidarymo proceso. Žemo šlaito dirvožemyje organinių medžiagų kiekis buvo mažiausias. Dėl dūlėjimo ir paviršinio nuotėkio įtakos dirvožemio maistinės medžiagos kaupiasi vidurio šlaito ir nuokalnės sluoksniuose, sudarydamos storą humuso sluoksnį. Tačiau dėl mažų dalelių ir prasto žemo šlaito dirvožemio stabilumo organines medžiagas lengvai skaido mikroorganizmai. Tyrimo metu nustatyta, kad vidurio šlaito ir nuokalnės augmenijos padengimas ir įvairovė yra didelė, tačiau homogeniškumas mažas, todėl paviršinės maistinės medžiagos gali pasiskirstyti netolygiai. Storas humuso sluoksnis sulaiko vandenį, o dirvožemio organizmai yra aktyvūs. Visa tai pagreitina organinių medžiagų skaidymąsi dirvožemyje.
Šarmų hidrolizuoto azoto kiekis kylančiuose, viduriniuose ir nuokalnėse geležinkelio šlaituose buvo didesnis nei natūralaus šlaito, o tai rodo, kad organinio azoto mineralizacijos greitis geležinkelio šlaite buvo žymiai didesnis nei natūralaus šlaito. Kuo mažesnės dalelės, tuo nestabilesnė dirvožemio struktūra, tuo mikroorganizmams lengviau skaidyti agregatuose esančias organines medžiagas ir tuo didesnis mineralizuoto organinio azoto kiekis60,61. Remiantis 62 tyrimo rezultatais, smulkių dalelių agregatų kiekis geležinkelio šlaitų dirvožemyje buvo žymiai didesnis nei natūralių šlaitų. Todėl reikia imtis tinkamų priemonių, siekiant padidinti trąšų, organinių medžiagų ir azoto kiekį geležinkelio šlaito dirvožemyje ir pagerinti tvarų dirvožemio naudojimą. Pasiekiamo fosforo ir pasiekiamo kalio švaistymas dėl paviršinio nuotėkio sudarė 77,27–99,79 % visų geležinkelio šlaito nuostolių. Paviršinis nuotėkis gali būti pagrindinė prieinamų maistinių medžiagų nuostolių šlaitų dirvožemiuose priežastis63,64,65.
Kaip parodyta 4 lentelėje, nustatyta reikšminga teigiama koreliacija tarp šlaito padėties ir prieinamo fosforo (R2 = 0,948), taip pat koreliacija tarp šlaito padėties ir prieinamo kalio buvo tokia pati (R2 = 0,898). Tai rodo, kad šlaito padėtis turi įtakos prieinamo fosforo ir prieinamo kalio kiekiui dirvožemyje.
Nuolydis yra svarbus veiksnys, turintis įtakos dirvožemio organinių medžiagų kiekiui ir azoto sodrinimui66, ir kuo mažesnis nuolydis, tuo didesnis sodrinimo greitis. Dirvožemio maistinių medžiagų sodrinimui maistinių medžiagų nuostoliai buvo silpnesni, o šlaito padėties poveikis dirvožemio organinių medžiagų kiekiui ir bendram azoto sodrinimui nebuvo akivaizdus. Skirtingų tipų ir skaičiaus augalų skirtinguose šlaituose augalų šaknys išskiria skirtingas organines rūgštis. Organinės rūgštys yra naudingos dirvožemyje esančio fosforo ir kalio fiksavimui. Todėl buvo nustatyta reikšminga koreliacija tarp šlaito padėties ir prieinamo fosforo bei šlaito padėties ir prieinamo kalio.
Norint išsiaiškinti dirvožemio maistinių medžiagų ir dirvožemio korozijos ryšį, būtina išanalizuoti koreliaciją. Kaip parodyta 5 lentelėje, redokso potencialas reikšmingai neigiamai koreliavo su prieinamu azotu (R2 = -0,845) ir reikšmingai teigiamai koreliavo su prieinamu fosforu (R2 = 0,842) ir prieinamu kaliu (R2 = 0,980). Redokso potencialas atspindi redokso kokybę, kurią paprastai veikia kai kurios dirvožemio fizinės ir cheminės savybės, o vėliau – ir daugybė kitų dirvožemio savybių. Todėl tai yra svarbus veiksnys, lemiantis dirvožemio maistinių medžiagų transformacijos kryptį67. Skirtingos redokso savybės gali lemti skirtingas maistinių medžiagų būsenas ir prieinamumą. Todėl redokso potencialas reikšmingai koreliuoja su prieinamu azotu, prieinamu fosforu ir prieinamu kaliu.
Be metalų savybių, korozijos potencialas taip pat susijęs su dirvožemio savybėmis. Korozijos potencialas reikšmingai neigiamai koreliavo su organinėmis medžiagomis, o tai rodo, kad organinės medžiagos turėjo didelę įtaką korozijos potencialui. Be to, organinės medžiagos taip pat reikšmingai neigiamai koreliavo su potencialo gradientu (SN) (R2 = -0,713) ir sulfato jonu (R2 = -0,671), o tai rodo, kad organinių medžiagų kiekis taip pat turi įtakos potencialo gradientui (SN) ir sulfato jonui. Nustatyta reikšminga neigiama koreliacija tarp dirvožemio pH ir prieinamo kalio (R2 = -0,728).
Pasiekiamas azotas reikšmingai neigiamai koreliavo su bendru tirpių druskų ir chlorido jonų kiekiu, o prieinamas fosforas ir prieinamas kalis reikšmingai teigiamai koreliavo su bendru tirpių druskų ir chlorido jonų kiekiu. Tai rodo, kad prieinamų maistinių medžiagų kiekis reikšmingai paveikė bendrų tirpių druskų ir chlorido jonų kiekį dirvožemyje, o dirvožemyje esantys anijonai nebuvo palankūs prieinamų maistinių medžiagų kaupimuisi ir tiekimui. Bendras azotas reikšmingai neigiamai koreliavo su sulfato jonu ir reikšmingai teigiamai koreliavo su bikarbonatu, o tai rodo, kad bendras azotas turėjo įtakos sulfato ir bikarbonato kiekiui. Augalams sulfato jonų ir bikarbonato jonų poreikis yra mažas, todėl dauguma jų yra laisvi dirvožemyje arba absorbuojami dirvožemio koloidų. Bikarbonato jonai skatina azoto kaupimąsi dirvožemyje, o sulfato jonai sumažina azoto prieinamumą dirvožemyje. Todėl tinkamai padidinus prieinamo azoto ir humuso kiekį dirvožemyje, naudinga sumažinti dirvožemio koroziškumą.
Dirvožemis yra sudėtinga sudėtis ir savybės turinti sistema. Dirvožemio koroziškumas yra daugelio veiksnių sinerginio poveikio rezultatas. Todėl dirvožemio koroziškumui įvertinti paprastai naudojamas išsamus vertinimo metodas. Remiantis „Geotechninių inžinerinių tyrimų kodeksu“ (GB50021-94) ir Kinijos dirvožemio korozijos bandymų tinklo bandymų metodais, dirvožemio korozijos laipsnis gali būti išsamiai įvertintas pagal šiuos standartus: (1) Įvertinimas yra silpnas, jei korozija yra tik silpna, nėra vidutinės ar stiprios korozijos; (2) jei nėra stiprios korozijos, vertinama kaip vidutinė korozija; (3) jei yra viena ar dvi stiprios korozijos vietos, vertinama kaip stipri korozija; (4) jei yra 3 ar daugiau stiprios korozijos vietų, vertinama kaip stipri korozija, kai korozija yra sunki.
Atsižvelgiant į dirvožemio varžą, redokso potencialą, vandens kiekį, druskų kiekį, pH vertę ir Cl- bei SO42- kiekį, buvo išsamiai įvertintas dirvožemio mėginių korozijos laipsnis įvairiuose šlaituose. Tyrimo rezultatai rodo, kad visų šlaitų dirvožemis yra labai korozinis.
Korozijos potencialas yra svarbus veiksnys, turintis įtakos šlaito apsauginio tinklo korozijai. Visų trijų šlaitų korozijos potencialai yra mažesni nei -200 mv, o tai daro didžiausią įtaką įkalnės metalinio tinklo korozijai. Potencialo gradientas gali būti naudojamas norint įvertinti klaidžiojančios srovės dirvožemyje dydį. Klaidžiojanti srovė yra svarbus veiksnys, turintis įtakos metalinio tinklo korozijai viduriniuose ir įkalnėse šlaituose, ypač viduriniuose šlaituose. Bendras tirpių druskų kiekis viršutinio, vidurinio ir apatinio šlaitų dirvožemyje buvo didesnis nei 500 mg/kg, o korozijos poveikis šlaito apsauginiam tinklui buvo vidutinis. Dirvožemio vandens kiekis yra svarbus veiksnys, turintis įtakos metalinių tinklų korozijai viduriniame ir nuokalnėse, ir daro didesnę įtaką šlaito apsauginių tinklų korozijai. Maistinių medžiagų gausiausia yra vidurinio šlaito dirvožemyje, o tai rodo dažną mikrobų veiklą ir spartų augalų augimą.
Tyrimai rodo, kad korozijos potencialas, potencialus gradientas, bendras tirpių druskų kiekis ir vandens kiekis yra pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką dirvožemio korozijai trijuose šlaituose, o dirvožemio koroziškumas įvertintas kaip stiprus. Šlaito apsaugos tinklo korozija yra rimčiausia viduriniame šlaite, o tai suteikia pagrindą geležinkelio šlaito apsaugos tinklo antikoroziniam projektavimui. Tinkamas azoto ir organinių trąšų papildymas yra naudingas dirvožemio korozijai mažinti, augalų augimui skatinti ir galiausiai šlaitui stabilizuoti.
Kaip cituoti šį straipsnį: Chen, J. ir kt. Dirvožemio sudėties ir elektrochemijos poveikis uolienų šlaitų tinklo korozijai palei Kinijos geležinkelio liniją. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL ir Yang, GL Geležinkelio pagrindo šlaitų dinaminės charakteristikos, veikiant žemės drebėjimo sužadinimui. Gamtos nelaimė. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. ir kt. Tipinės žemės drebėjimo padarytos žalos greitkeliams Venčuano žemės drebėjimo nuniokotoje Sičuano provincijos zonoje analizė [J]. Kinijos uolienų mechanikos ir inžinerijos žurnalas, 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. ir Jinsong, J. Greitkelių tiltų seisminės žalos analizė ir atsakomosios priemonės Wenchuan žemės drebėjimo metu. Kinijos uolienų mechanikos ir inžinerijos žurnalas. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY ir Liu, CC. Čičio žemės drebėjimo poveikis nuošliaužoms, kurias sukėlė vėlesni krituliai centriniame Taivane. Inžinerinė geologija. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. ir kt. Ilgalaikis žemės drebėjimų sukeltų nuošliaužų poveikis nuosėdų susidarymui kalnų baseine: Tanzavos regionas, Japonija. geomorfologija. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. ir Dedong, L. Geotechninių šlaitų seisminio stabilumo analizės tyrimų apžvalga. Žemės drebėjimų inžinerija ir inžinerinė vibracija. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, „Tyrimas apie geologinius pavojus, kuriuos sukėlė Wenchuano žemės drebėjimas Sičuane“. „Journal of Engineering Geology“ 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Šlaitų apsauga augmenija: kai kurių tropinių augalų šaknų mechanika. Tarptautinis fizinių mokslų žurnalas. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI ir Kitayama, K. Topografinis poveikis atogrąžų žemakalnių miškams skirtingomis geologinėmis sąlygomis Kinabalu kalne, Borneo. Augalų ekologija. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. ir kt. Idealios augalų šaknų savybės natūralių ir dirbtinių šlaitų apsaugai nuo nuošliaužų. Augalai ir dirvožemis, 324, 1–30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. ir Knapen, A. Žolės šaknų poveikis viršutinio dirvožemio sluoksnio eroduojamumui koncentruoto srauto metu. Geomorphology 76, 54–67 (2006).