Dziękujemy za odwiedzenie witryny Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, obsługuje CSS w ograniczonym zakresie. Aby uzyskać najlepsze efekty, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). Tymczasem, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy wyświetlać witrynę bez stylów i JavaScript.
Biorąc za obiekt badań stok kolejowy Sui-Chongqing, rezystywność gleby, elektrochemia gleby (potencjał korozji, potencjał redoks, gradient potencjału i pH), aniony glebowe (całkowite sole rozpuszczalne, Cl-, SO42- i) oraz odżywianie gleby (zawartość wilgoci, materia organiczna, całkowity azot, azot hydrolizowany alkalicznie, dostępny fosfor, dostępny potas). Na różnych zboczach stopień korozji ocenia się na podstawie indywidualnych wskaźników i kompleksowych wskaźników sztucznej gleby. W porównaniu z innymi czynnikami, woda ma największy wpływ na korozję siatki ochronnej zbocza, a następnie zawartość anionów. Całkowita rozpuszczalna sól ma umiarkowany wpływ na korozję siatki ochronnej zbocza, a prąd błądzący ma umiarkowany wpływ na korozję siatki ochronnej zbocza. Stopień korozji próbek gleby został kompleksowo oceniony, a korozja na górnym zboczu była umiarkowana, a korozja na środkowych i dolnych zboczach była silna. Materia organiczna w glebie była istotnie skorelowana z gradientem potencjału. Dostępny azot, dostępny potas i dostępny fosfor były istotnie skorelowane z anionami. Rozmieszczenie składników odżywczych w glebie jest pośrednio związane z rodzajem nachylenia stoku.
Podczas budowy linii kolejowych, autostrad i obiektów służących ochronie zasobów wodnych często nie da się uniknąć otwarcia się gór. Ze względu na góry na południowym zachodzie Chin, budowa kolei wymaga przeprowadzenia wielu wykopów w górach. Niszczy to oryginalną glebę i roślinność, tworząc odsłonięte skaliste zbocza. Taka sytuacja prowadzi do osuwisk i erozji gleby, co zagraża bezpieczeństwu transportu kolejowego. Osunięcia ziemi są szkodliwe dla ruchu drogowego, zwłaszcza po trzęsieniu ziemi w Wenchuan 12 maja 2008 r. Osunięcia ziemi stały się szeroko rozpowszechnioną i poważną katastrofą sejsmiczną1. W ocenie 4243 kilometrów głównych dróg głównych w prowincji Syczuan z 2008 r. odnotowano 1736 poważnych katastrof trzęsień ziemi w podłożu dróg i murach oporowych zboczy, co stanowi 39,76% całkowitej długości oceny. Bezpośrednie straty ekonomiczne spowodowane uszkodzeniami dróg przekroczyły 58 miliardów juanów2,3. Globalne przykłady pokazują, że zagrożenia geograficzne po trzęsieniu ziemi mogą trwać co najmniej 10 lat (trzęsienie ziemi na Tajwanie), a nawet 40-50 lat (trzęsienie ziemi w Kanto w Japonii)4,5. Nachylenie jest głównym czynnikiem wpływającym na zagrożenie trzęsieniem ziemi6,7. Dlatego konieczne jest utrzymanie nachylenia drogi i wzmocnienie jego stabilności. Rośliny odgrywają niezastąpioną rolę w ochronie zboczy i ekologicznej rekultywacji krajobrazu8. W porównaniu ze zwykłymi zboczami glebowymi, zbocza skalne nie gromadzą czynników odżywczych, takich jak materia organiczna, azot, fosfor i potas, i nie mają środowiska glebowego niezbędnego do wzrostu roślinności. Ze względu na czynniki takie jak duże zbocze i erozja deszczowa, gleba zbocza łatwo się traci. Środowisko zbocza jest trudne, brakuje niezbędnych warunków do wzrostu roślin, a gleba zbocza nie zapewnia podtrzymującej stabilności9. Opryskiwanie zbocza materiałem bazowym w celu pokrycia gleby w celu ochrony zbocza jest powszechnie stosowaną technologią ekologicznej odnowy zboczy w moim kraju. Sztuczna gleba używana do opryskiwania składa się z tłucznia, gleby rolniczej, słomy, nawozu wieloskładnikowego, środka zatrzymującego wodę i kleju (powszechnie stosowane kleje obejmują cement portlandzki, klej organiczny i emulgator asfaltowy) w określonej proporcji. Proces techniczny jest następujący: najpierw układa się drut kolczasty na skale, następnie mocuje drut kolczasty nitami i śrubami kotwiącymi, a na koniec opryskuje zbocze sztuczną glebą zawierającą nasiona za pomocą specjalnego opryskiwacza. Najczęściej stosuje się 14-calową siatkę metalową w kształcie diamentu, która jest w pełni ocynkowana, o standardowym rozmiarze oczek 5 cm × 5 cm i średnicy 2 mm. Siatka metalowa umożliwia matrycy glebowej utworzenie trwałej monolitycznej płyty na powierzchni skały. Siatka metalowa ulegnie korozji w glebie, ponieważ gleba Sam w sobie jest elektrolitem, a stopień korozji zależy od właściwości gleby. Ocena czynników korozji gleby ma ogromne znaczenie dla oceny erozji siatek metalowych wywołanej przez glebę i wyeliminowania zagrożeń osuwiskowych.
Uważa się, że korzenie roślin odgrywają kluczową rolę w stabilizacji zboczy i kontroli erozji10,11,12,13,14. Aby ustabilizować zbocza przed płytkimi osuwiskami, można wykorzystać roślinność, ponieważ korzenie roślin mogą utrwalać glebę, zapobiegając osuwiskom15,16,17. Roślinność zdrewniała, zwłaszcza drzewa, pomaga zapobiegać płytkim osuwiskom18. Solidna struktura ochronna utworzona przez pionowe i boczne systemy korzeniowe roślin, które działają jak wzmacniające pale w glebie. Rozwój wzorów architektury korzeni jest napędzany przez geny, a środowisko glebowe odgrywa decydującą rolę w tych procesach. Korozja metali różni się w zależności od środowiska glebowego20. Stopień korozji metali w glebie może wahać się od dość szybkiego rozpuszczenia do nieistotnego wpływu21. Sztuczna gleba bardzo różni się od prawdziwej „gleby”. Tworzenie się naturalnych gleb jest wynikiem interakcji między środowiskiem zewnętrznym a różnymi organizmami na przestrzeni dziesiątek milionów lat22,23,24. Zanim roślinność zdrewniała utworzy stabilny system korzeniowy i ekosystemu, to, czy metalowa siatka w połączeniu ze zboczem skalnym i sztuczną glebą może funkcjonować bezpiecznie, jest bezpośrednio związane z rozwojem gospodarki naturalnej, bezpieczeństwem życia i poprawą środowiska ekologicznego.
Jednak korozja metali może prowadzić do ogromnych strat. Według badania przeprowadzonego w Chinach na początku lat 80. w zakresie maszyn chemicznych i innych gałęzi przemysłu, straty spowodowane korozją metali stanowiły 4% całkowitej wartości produkcji. Dlatego też niezwykle istotne jest zbadanie mechanizmu korozji i podjęcie środków ochronnych w celu ekonomicznego budownictwa. Gleba to złożony system gazów, cieczy, ciał stałych i mikroorganizmów. Metabolity drobnoustrojów mogą powodować korozję materiałów, a prądy błądzące mogą również powodować korozję. Dlatego też ważne jest zapobieganie korozji metali zakopanych w glebie. Obecnie badania nad korozją metali zakopanych koncentrują się głównie na (1) czynnikach wpływających na korozję metali zakopanych25; (2) metodach ochrony metali26,27; (3) metodach oceny stopnia korozji metali28; Korozja w różnych mediach. Jednak wszystkie gleby w badaniu były naturalne i przeszły wystarczające procesy glebotwórcze. Jednak nie ma raportu na temat sztucznej erozji gleby na zboczach skał kolejowych.
W porównaniu z innymi środowiskami korozyjnymi, sztuczna gleba charakteryzuje się brakiem płynności, niejednorodnością, sezonowością i regionalnością. Korozja metali w sztucznej glebie jest spowodowana oddziaływaniami elektrochemicznymi między metalami i sztuczną glebą. Oprócz czynników wrodzonych, szybkość korozji metali zależy również od otaczającego środowiska. Na korozję metali wpływa wiele czynników, pojedynczo lub w połączeniu, takich jak zawartość wilgoci, zawartość tlenu, całkowita zawartość soli rozpuszczalnych, zawartość anionów i jonów metali, pH, mikroorganizmy glebowe30,31,32.
W ciągu 30 lat praktyki, kwestia trwałej ochrony sztucznych gleb na skalistych zboczach stanowiła problem33. Krzewy lub drzewa nie mogą rosnąć na niektórych zboczach po 10 latach ręcznej pielęgnacji z powodu erozji gleby. Brud na powierzchni siatki metalowej został w niektórych miejscach wypłukany. Z powodu korozji niektóre siatki metalowe pękły i utraciły całą glebę nad i pod nimi (rysunek 1). Obecnie badania nad korozją zboczy kolejowych koncentrują się głównie na korozji uziemienia podstacji kolejowych, korozji prądów błądzących generowanych przez lekką kolej oraz korozji mostów kolejowych34,35, torów i innego wyposażenia pojazdów36. Nie było żadnych doniesień o korozji metalowej siatki ochronnej zbocza kolejowego. W niniejszym artykule zbadano właściwości fizyczne, chemiczne i elektrochemiczne sztucznych gleb na południowo-zachodnim skalistym zboczu linii kolejowej Suiyu, mając na celu przewidywanie korozji metali poprzez ocenę właściwości gleby i zapewnienie teoretycznych i praktycznych podstaw do odtworzenia ekosystemu glebowego i sztucznego odtworzenia.Zbocze sztuczne.
Miejsce testowe znajduje się w pagórkowatym terenie Syczuanu (30°32′N, 105°32′E) w pobliżu stacji kolejowej Suining. Obszar ten znajduje się w środku Kotliny Syczuańskiej, z niskimi górami i wzgórzami, o prostej strukturze geologicznej i płaskim terenie. Erozja, rozcinanie i gromadzenie się wody tworzą erodowane pagórkowate krajobrazy. Podłoże skalne składa się głównie z wapienia, a nadkład to głównie fioletowy piasek i mułowiec. Integralność jest słaba, a skała ma strukturę blokową. Obszar badań ma subtropikalny wilgotny klimat monsunowy z sezonowymi cechami wczesnej wiosny, gorącego lata, krótkiej jesieni i późnej zimy. Opady deszczu są obfite, zasoby światła i ciepła są obfite, okres bezmrozowy jest długi (średnio 285 dni), klimat jest łagodny, średnia roczna temperatura wynosi 17,4°C, średnia temperatura najcieplejszego miesiąca (sierpień) wynosi 27,2°C, a ekstremalna maksymalna temperatura wynosi 39,3°C. najzimniejszym miesiącem jest styczeń (średnia temperatura wynosi 6,5°C), ekstremalnie niska temperatura wynosi -3,8°C, a średnia roczna suma opadów wynosi 920 mm, głównie w lipcu i sierpniu. Opady deszczu wiosną, latem, jesienią i zimą są bardzo zróżnicowane. Proporcja opadów w każdej porze roku wynosi odpowiednio 19-21%, 51-54%, 22-24% i 4-5%.
Miejsce badań znajduje się na zboczu o nachyleniu około 45° na stoku kolei Yu-Sui zbudowanej w 2003 r. W kwietniu 2012 r. zwrócona była ku południu, w odległości 1 km od stacji kolejowej Suining. Naturalne zbocze zostało użyte jako kontrola. Ekologiczna odnowa zbocza przyjmuje technologię natrysku gleby wierzchniej w celu ekologicznej odnowy. W zależności od wysokości zbocza pobocza kolejowego, zbocze można podzielić na zbocze górne, środkowe i dolne (rys. 2). Ponieważ grubość sztucznej gleby wykopanego zbocza wynosi około 10 cm, w celu uniknięcia zanieczyszczenia produktów korozji metalowej siatki glebowej, używamy tylko łopaty ze stali nierdzewnej do pobrania powierzchni gleby 0-8 cm. Dla każdej pozycji zbocza ustawiono cztery powtórzenia, z 15-20 losowymi punktami pobierania próbek na powtórzenie. Każde powtórzenie jest mieszanką 15-20 losowo określonych z punktów pobierania próbek w kształcie litery S. Jego świeża waga wynosi około 500 gramów. Próbki należy przynieść z powrotem do laboratorium w plastikowych workach strunowych w celu przetworzenia. Gleba jest naturalnie suszona na powietrzu, a żwir oraz pozostałości zwierzęce i roślinne są wybierane, kruszone patykiem agatowym i przesiewane przez Sito nylonowe o oczkach 20 i 100 oczek, z wyjątkiem grubych cząstek.
Rezystywność gleby mierzono przy użyciu testera rezystancji uziemienia VICTOR4106 wyprodukowanego przez Shengli Instrument Company; rezystywność gleby mierzono w terenie; Wilgotność gleby mierzono metodą suszenia. Przenośny cyfrowy przyrząd mv/pH DMP-2 charakteryzuje się wysoką impedancją wejściową do pomiaru potencjału korozyjnego gleby. Gradient potencjału i potencjał redoks określono za pomocą przenośnego cyfrowego mv/pH DMP-2, całkowitą rozpuszczalną sól w glebie określono metodą suszenia pozostałości, zawartość jonów chlorkowych w glebie określono metodą miareczkowania AgNO3 (metodą Mohra), zawartość siarczanów w glebie określono metodą pośredniego miareczkowania EDTA, metodą miareczkowania podwójnym wskaźnikiem w celu określenia węglanów i wodorowęglanów w glebie, metodą ogrzewania z utlenianiem dwuchromianu potasu w celu określenia materii organicznej w glebie, metodą dyfuzji w roztworze alkalicznym w celu określenia azotu z hydrolizy alkalicznej w glebie, trawienia H2SO4-HClO4 metodą kolorymetryczną Mo-Sb Całkowity fosfor w glebie i zawartość dostępnego fosforu w glebie określono metodą Olsena (0,05 mol/l roztwór NaHCO3 jako ekstrahent), a całkowitą zawartość potasu w glebie określono za pomocą fotometrii płomieniowej z wodorotlenkiem sodu.
Dane eksperymentalne zostały wstępnie usystematyzowane. Do wykonania analizy średniej, odchylenia standardowego, jednokierunkowej analizy wariancji i analizy korelacji ludzkich wykorzystano pakiet SPSS Statistics 20.
Tabela 1 przedstawia właściwości elektromechaniczne, aniony i składniki odżywcze gleb o różnych nachyleniach. Potencjał korozji, rezystywność gleby i gradient potencjału wschód-zachód na różnych nachyleniach były istotne (P < 0,05). Potencjały redoks nachylenia w dół, na średnim zboczu i nachylenia naturalnego były istotne (P < 0,05). Gradient potencjału prostopadły do ​​szyny, czyli gradient potencjału północ-południe, jest w górę zbocza> w dół zbocza> nachylenie środkowe. Wartość pH gleby była w kolejności w dół zbocza> pod górę> nachylenie środkowe> nachylenie naturalne. Całkowita zawartość soli rozpuszczalnej na nachyleniu naturalnym była istotnie wyższa niż na nachyleniu kolejowym (P < 0,05). Całkowita zawartość soli rozpuszczalnej na nachyleniu kolejowym trzeciej klasy przekracza 500 mg/kg, a całkowita zawartość soli rozpuszczalnej ma umiarkowany wpływ na korozję metali. Zawartość materii organicznej w glebie była najwyższa na nachyleniu naturalnym i najniższa na nachyleniu w dół (P < 0,05). Całkowita zawartość azotu była najwyższa na środkowym zboczu i najniższa na zboczu wznoszącym się; zawartość dostępnego azotu była najwyższa na zboczu opadającym i środkowym, a najniższa na zboczu naturalnym; całkowita zawartość azotu na zboczu wzdłuż linii kolejowej była niższa, ale zawartość dostępnego azotu była wyższa. Wskazuje to na szybką mineralizację azotu organicznego na zboczach wznoszących się i opadających. Zawartość dostępnego potasu jest taka sama jak zawartość dostępnego fosforu.
Rezystywność gleby to wskaźnik określający przewodność elektryczną i podstawowy parametr służący do oceny korozji gleby. Czynniki wpływające na rezystywność gleby obejmują wilgotność, całkowitą zawartość soli rozpuszczalnych, pH, teksturę gleby, temperaturę, zawartość materii organicznej, temperaturę gleby i szczelność. Ogólnie rzecz biorąc, gleby o niskiej rezystywności są bardziej korozyjne i odwrotnie. Wykorzystanie rezystywności do oceny korozyjności gleby jest metodą powszechnie stosowaną w różnych krajach. Tabela 1 przedstawia kryteria oceny stopnia korozyjności dla każdego pojedynczego wskaźnika37,38.
Zgodnie z wynikami testów i normami obowiązującymi w moim kraju (Tabela 1), jeśli korozyjność gleby ocenia się wyłącznie na podstawie rezystywności gleby, to gleba na zboczu wznoszącym się jest wysoce korozyjnie, gleba na zboczu opadającym jest umiarkowanie korozyjnie, a korozyjność gleby na zboczu środkowym i naturalnym jest stosunkowo niska lub słaba.
Rezystywność gleby na zboczu wzniesienia jest znacznie niższa niż w innych częściach zbocza, co może być spowodowane erozją deszczową. Warstwa wierzchnia gleby na zboczu spływa do środkowego zbocza wraz z wodą, tak że metalowa siatka ochronna zbocza wzniesienia znajduje się blisko wierzchniej warstwy gleby. Niektóre metalowe siatki były odsłonięte, a nawet zawieszone w powietrzu (rysunek 1). Rezystywność gleby mierzono na miejscu; odstępy między palami wynosiły 3 m; głębokość wbijania pali była mniejsza niż 15 cm. Goła metalowa siatka i łuszcząca się rdza mogą zakłócać wyniki pomiarów. Dlatego ocena korozji gleby wyłącznie na podstawie wskaźnika rezystywności gleby jest niewiarygodna. W kompleksowej ocenie korozji rezystywność gleby na zboczu wzniesienia nie jest brana pod uwagę.
Ze względu na wysoką wilgotność względną, stale wilgotne powietrze w rejonie Syczuanu powoduje, że metalowa siatka wystawiona na działanie powietrza koroduje poważniej niż metalowa siatka zakopana w glebie39. Narażenie siatki drucianej na działanie powietrza może skutkować skróceniem jej żywotności, co może destabilizować gleby położone wyżej. Utrata gleby może utrudniać wzrost roślin, zwłaszcza roślin zdrewniałych. Ze względu na brak roślin zdrewniałych trudno jest utworzyć system korzeniowy na wzgórzu, aby zestalić glebę. Jednocześnie wzrost roślin może również poprawić jakość gleby i zwiększyć zawartość próchnicy w glebie, która nie tylko może zatrzymywać wodę, ale także zapewniać dobre środowisko dla wzrostu i rozmnażania zwierząt i roślin, zmniejszając w ten sposób utratę gleby. Dlatego na wczesnym etapie budowy należy wysiewać więcej zdrewniałych nasion na zboczu, a środek zatrzymujący wodę należy stale dodawać i przykrywać folią w celu ochrony, aby zmniejszyć erozję gleby położonej wyżej przez wodę deszczową.
Potencjał korozji jest ważnym czynnikiem wpływającym na korozję siatki ochronnej zbocza na zboczu trzypoziomowym i ma największy wpływ na zbocze wznoszące się (Tabela 2). W normalnych warunkach potencjał korozji nie zmienia się zbytnio w danym środowisku. Zauważalną zmianę mogą powodować prądy błądzące. Prądy błądzące odnoszą się do prądów 40, 41, 42, które przeciekają do podłoża drogi i ośrodka glebowego, gdy pojazdy korzystają z publicznego systemu transportu. Dzięki rozwojowi systemu transportowego system transportu kolejowego w moim kraju osiągnął elektryfikację na dużą skalę, a korozji zakopanych metali spowodowanej upływami prądu stałego z zelektryfikowanych kolei nie można ignorować. Obecnie gradient potencjału gleby można wykorzystać do określenia, czy gleba zawiera zaburzenia prądu błądzącego. Gdy gradient potencjału gleby powierzchniowej jest mniejszy niż 0,5 mv/m, prąd błądzący jest niski; gdy gradient potencjału mieści się w zakresie od 0,5 mv/m do 5,0 mv/m, prąd błądzący jest umiarkowany; Gdy gradient potencjału jest większy niż 5,0 mv/m, poziom prądu błądzącego jest wysoki. Zakres zmienności gradientu potencjału (EW) w połowie zbocza, w górę zbocza i w dół zbocza pokazano na rysunku 3. Jeśli chodzi o zakres zmienności, występują umiarkowane prądy błądzące w kierunkach wschód-zachód i północ-południe w połowie zbocza. Dlatego prąd błądzący jest ważnym czynnikiem wpływającym na korozję siatek metalowych na środku zbocza i w dół zbocza, szczególnie na środku zbocza.
Ogólnie rzecz biorąc, potencjał redoks gleby (Eh) powyżej 400 mV wskazuje na zdolność utleniającą, powyżej 0-200 mV oznacza średnią zdolność redukcyjną, a poniżej 0 mV oznacza dużą zdolność redukcyjną. Im niższy potencjał redoks gleby, tym większa zdolność korozyjna mikroorganizmów glebowych w stosunku do metali44. Na podstawie potencjału redoks można przewidzieć tendencję korozji mikrobiologicznej gleby. Badanie wykazało, że potencjał redoks gleby trzech zboczy był większy niż 500 mV, a poziom korozji był bardzo mały. Pokazuje to, że warunki wentylacji gleby na zboczach są dobre, co nie sprzyja korozji mikroorganizmów beztlenowych w glebie.
Poprzednie badania wykazały, że wpływ pH gleby na erozję gleby jest oczywisty. Wahania wartości pH znacząco wpływają na szybkość korozji materiałów metalowych. pH gleby jest ściśle związane z obszarem i mikroorganizmami w glebie45,46,47. Mówiąc ogólnie, wpływ pH gleby na korozję materiałów metalowych w glebie lekko zasadowej nie jest oczywisty. Gleby na trzech stokach kolejowych są zasadowe, więc wpływ pH na korozję siatki metalowej jest słaby.
Jak widać z tabeli 3, analiza korelacji pokazuje, że potencjał redoks i położenie nachylenia są istotnie dodatnio skorelowane (R2 = 0,858), potencjał korozji i gradient potencjału (SN) są istotnie dodatnio skorelowane (R2 = 0,755), a potencjał redoks i gradient potencjału (SN) są istotnie dodatnio skorelowane (R2 = 0,755). Istniała istotna ujemna korelacja między potencjałem a pH (R2 = -0,724). Pozycja nachylenia była istotnie dodatnio skorelowana z potencjałem redoks. Pokazuje to, że istnieją różnice w mikrośrodowisku o różnych pozycjach nachylenia, a mikroorganizmy glebowe są ściśle związane z potencjałem redoks48, 49, 50. Potencjał redoks był istotnie ujemnie skorelowany z pH51,52. Zależność ta wskazywała, że ​​wartości pH i Eh nie zawsze zmieniały się synchronicznie w trakcie procesu redoks w glebie, ale miały ujemną zależność liniową. Potencjał korozji metalu może reprezentować względną zdolność do pozyskiwania i tracenia elektronów. Chociaż potencjał korozji był istotnie dodatnio skorelowany z gradientem potencjału (SN), gradient potencjału może być spowodowany łatwą utratą elektronów przez metal.
Całkowita zawartość rozpuszczalnych soli w glebie jest ściśle związana z korozyjnością gleby. Mówiąc ogólnie, im większe zasolenie gleby, tym mniejsza rezystywność gleby, a tym samym większy opór gleby. W elektrolitach glebowych nie tylko aniony i zmienne zakresy, ale także czynniki korozyjne to głównie węglany, chlorki i siarczany. Ponadto całkowita zawartość rozpuszczalnych soli w glebie pośrednio wpływa na korozję poprzez wpływ innych czynników, takich jak wpływ potencjału elektrodowego w metalach i rozpuszczalność tlenu w glebie53.
Większość rozpuszczalnych jonów soli zdysocjowanych w glebie nie bierze bezpośredniego udziału w reakcjach elektrochemicznych, ale wpływa na korozję metali poprzez rezystywność gleby. Im wyższe zasolenie gleby, tym silniejsza przewodność gleby i silniejsza erozja gleby. Zawartość zasolenia gleby na naturalnych zboczach jest znacznie wyższa niż na zboczach kolejowych, co może wynikać z faktu, że naturalne zbocza są bogate w roślinność, co sprzyja oszczędzaniu gleby i wody. Innym powodem może być to, że naturalne zbocze przeszło dojrzałą formację glebową (materiał macierzysty gleby utworzony przez wietrzenie skał), ale gleba zbocza kolejowego składa się z pokruszonych fragmentów skalnych jako matrycy „sztucznej gleby” i nie przeszła wystarczającego procesu formowania gleby. Minerały nie zostały uwolnione. Ponadto jony soli w głębokiej glebie naturalnych zboczy podniosły się wskutek działania sił kapilarnych podczas parowania z powierzchni i zgromadziły się w glebie powierzchniowej, co spowodowało wzrost zawartości jonów soli w glebie powierzchniowej. Grubość gleby na zboczu kolejowym jest mniejsza niż 20 cm, co uniemożliwia wierzchniej warstwie gleby uzupełnienie soli z gleby głębokiej.
Jony dodatnie (takie jak K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, itp.) mają niewielki wpływ na korozję gleby, podczas gdy aniony odgrywają znaczącą rolę w elektrochemicznym procesie korozji i mają istotny wpływ na korozję metali. Cl− może przyspieszyć korozję anody i jest najbardziej żrącym anionem; im wyższa zawartość Cl−, tym silniejsza korozja gleby. SO42− nie tylko sprzyja korozji stali, ale także powoduje korozję niektórych materiałów betonowych54. Koroduje również żelazo. W serii eksperymentów z kwaśną glebą stwierdzono, że szybkość korozji jest proporcjonalna do kwasowości gleby55. Chlorek i siarczan są głównymi składnikami rozpuszczalnych soli, które mogą bezpośrednio przyspieszać kawitację metali. Badania wykazały, że utrata masy korozyjnej stali węglowej w glebach alkalicznych jest prawie proporcjonalna do dodania jonów chlorkowych i siarczanowych56,57. Lee i in. stwierdzono, że SO42- może utrudniać korozję, lecz sprzyjać powstawaniu już powstałych wżerów korozyjnych58.
Zgodnie z normą oceny korozyjności gleby i wynikami testów, zawartość jonów chlorkowych w każdej próbce gleby na zboczu wynosiła powyżej 100 mg/kg, co wskazuje na silną korozyjność gleby. Zawartość jonów siarczanowych zarówno na zboczach wznoszących się, jak i opadających wynosiła powyżej 200 mg/kg i poniżej 500 mg/kg, a gleba była umiarkowanie skorodowana. Zawartość jonów siarczanowych na zboczu środkowym jest niższa niż 200 mg/kg, a korozja gleby jest słaba. Gdy środowisko glebowe zawiera wysokie stężenie, będzie ono uczestniczyć w reakcji i wytwarzać osad korozyjny na powierzchni metalowej elektrody, spowalniając w ten sposób reakcję korozji. W miarę wzrostu stężenia osad może nagle pękać, znacznie przyspieszając tym samym szybkość korozji; w miarę dalszego wzrostu stężenia osad korozyjny pokrywa powierzchnię metalowej elektrody, a szybkość korozji ponownie wykazuje tendencję do zwalniania59. Badanie wykazało, że ilość w glebie była niższa i dlatego miała niewielki wpływ na korozję.
Zgodnie z tabelą 4 korelacja pomiędzy nachyleniem a anionami glebowymi wykazała istotną dodatnią korelację pomiędzy nachyleniem a jonami chlorkowymi (R2=0,836) oraz istotną dodatnią korelację pomiędzy nachyleniem a całkowitą ilością rozpuszczalnych soli (R2=0,742).
Sugeruje to, że spływ powierzchniowy i erozja gleby mogą być odpowiedzialne za zmiany całkowitej zawartości rozpuszczalnych soli w glebie. Zaobserwowano znaczącą dodatnią korelację między całkowitą zawartością rozpuszczalnych soli i jonami chlorkowymi, co może wynikać z faktu, że całkowita zawartość rozpuszczalnych soli stanowi pulę jonów chlorkowych, a zawartość całkowitej zawartości rozpuszczalnych soli determinuje zawartość jonów chlorkowych w roztworach glebowych. Dlatego możemy stwierdzić, że różnica w nachyleniu może powodować poważną korozję metalowej części siatki.
Materia organiczna, całkowity azot, dostępny azot, dostępny fosfor i dostępny potas to podstawowe składniki odżywcze gleby, które wpływają na jej jakość i wchłanianie składników odżywczych przez system korzeniowy. Składniki odżywcze gleby są ważnym czynnikiem wpływającym na mikroorganizmy w glebie, dlatego warto zbadać, czy istnieje korelacja między składnikami odżywczymi gleby a korozją metali. Kolej Suiyu została ukończona w 2003 roku, co oznacza, że ​​sztuczna gleba była akumulowana w materii organicznej zaledwie przez 9 lat. Ze względu na specyfikę sztucznej gleby konieczne jest dobre zrozumienie składników odżywczych w sztucznej glebie.
Badania wykazały, że zawartość materii organicznej jest najwyższa w naturalnej glebie stoków po całym procesie formowania gleby. Zawartość materii organicznej w glebach o niskim nachyleniu była najniższa. Ze względu na wpływ wietrzenia i spływu powierzchniowego, składniki odżywcze gleby gromadzą się w środkowej i dolnej części zbocza, tworząc grubą warstwę próchnicy. Jednak ze względu na małe cząsteczki i słabą stabilność gleby o niskim nachyleniu, materia organiczna jest łatwo rozkładana przez mikroorganizmy. Badania wykazały, że pokrycie roślinnością i jej różnorodność na średnich i niższych zboczach były wysokie, ale jednorodność była niska, co może prowadzić do nierównomiernego rozmieszczenia składników odżywczych na powierzchni. Gruba warstwa próchnicy zatrzymuje wodę, a organizmy glebowe są aktywne. Wszystko to przyspiesza rozkład materii organicznej w glebie.
Zawartość azotu zhydrolizowanego alkalicznie w liniach kolejowych na zboczach w górę, w środek i w dół była wyższa niż na zboczu naturalnym, co wskazuje, że szybkość mineralizacji azotu organicznego na zboczu kolejowym była znacznie wyższa niż na zboczu naturalnym. Im mniejsze cząstki, tym bardziej niestabilna struktura gleby, tym łatwiej mikroorganizmom rozkładać materię organiczną w agregatach i tym większy zasób zmineralizowanego azotu organicznego60,61. Zgodnie z wynikami badania 62 zawartość agregatów małych cząstek w glebie na zboczach kolejowych była znacznie wyższa niż na zboczach naturalnych. Dlatego należy podjąć odpowiednie środki w celu zwiększenia zawartości nawozu, materii organicznej i azotu w glebie na zboczu kolejowym oraz poprawy zrównoważonego wykorzystania gleby. Marnowanie dostępnego fosforu i dostępnego potasu spowodowane spływem powierzchniowym stanowiło od 77,27% do 99,79% całkowitej utraty zbocza kolejowego. Spływ powierzchniowy może być głównym czynnikiem utrata składników odżywczych w glebach stokowych63,64,65.
Jak pokazano w tabeli 4, istniała istotna dodatnia korelacja pomiędzy położeniem stoku a dostępnym fosforem (R2=0,948), a korelacja pomiędzy położeniem stoku a dostępnym potasem była taka sama (R2=0,898). Pokazuje to, że położenie stoku wpływa na zawartość dostępnego fosforu i dostępnego potasu w glebie.
Nachylenie jest ważnym czynnikiem wpływającym na zawartość materii organicznej w glebie i wzbogacenie w azot66, a im mniejsze nachylenie, tym większy współczynnik wzbogacenia. W przypadku wzbogacenia gleby składnikami odżywczymi, utrata składników odżywczych była osłabiona, a wpływ położenia nachylenia na zawartość materii organicznej w glebie i całkowite wzbogacenie w azot nie był oczywisty. Różne rodzaje i liczba roślin na różnych zboczach mają różne kwasy organiczne wydzielane przez korzenie roślin. Kwasy organiczne są korzystne dla wiązania dostępnego fosforu i dostępnego potasu w glebie. Dlatego też wystąpiła istotna korelacja między położeniem nachylenia a dostępnym fosforem oraz położeniem nachylenia a dostępnym potasem.
Aby wyjaśnić związek między składnikami odżywczymi gleby a korozją gleby, konieczna jest analiza korelacji. Jak pokazano w tabeli 5, potencjał redoks był istotnie ujemnie skorelowany z dostępnym azotem (R2 = -0,845) i istotnie dodatnio skorelowany z dostępnym fosforem (R2 = 0,842) i dostępnym potasem (R2 = 0,980). Potencjał redoks odzwierciedla jakość redoks, na którą zwykle wpływają niektóre właściwości fizyczne i chemiczne gleby, a następnie wpływa na szereg właściwości gleby. Dlatego jest to ważny czynnik określający kierunek przemian składników odżywczych gleby67. Różne właściwości redoks mogą skutkować różnymi stanami i dostępnością czynników odżywczych. Dlatego potencjał redoks ma istotną korelację z dostępnym azotem, dostępnym fosforem i dostępnym potasem.
Oprócz właściwości metali, potencjał korozji wiąże się również z właściwościami gleby. Potencjał korozyjności istotnie ujemnie skorelowany był z materią organiczną, co wskazuje, że materia organiczna miała istotny wpływ na potencjał korozji. Ponadto materia organiczna była również istotnie ujemnie skorelowana z gradientem potencjału (SN) (R2 = -0,713) i jonem siarczanowym (R2 = -0,671), co wskazuje, że zawartość materii organicznej również wpływa na gradient potencjału (SN) i jon siarczanowy. Istniała istotna ujemna korelacja pomiędzy pH gleby a dostępnym potasem (R2 = -0,728).
Dostępny azot istotnie ujemnie skorelowany był z całkowitą zawartością rozpuszczalnych soli i jonów chlorkowych, a dostępny fosfor i dostępny potas istotnie dodatnio skorelowane były z całkowitą zawartością rozpuszczalnych soli i jonów chlorkowych. Wskazywało to, że dostępna zawartość składników odżywczych istotnie wpływała na ilość całkowitej zawartości rozpuszczalnych soli i jonów chlorkowych w glebie, a aniony w glebie nie sprzyjały gromadzeniu się i dostarczaniu dostępnych składników odżywczych. Całkowity azot istotnie ujemnie skorelowany był z jonem siarczanowym i istotnie dodatnio skorelowany z wodorowęglanem, co wskazywało, że całkowity azot miał wpływ na zawartość siarczanu i wodorowęglanu. Rośliny mają niewielkie zapotrzebowanie na jony siarczanowe i jony wodorowęglanowe, więc większość z nich występuje w glebie w postaci wolnej lub jest wchłaniana przez koloidy glebowe. Jony wodorowęglanowe sprzyjają gromadzeniu się azotu w glebie, a jony siarczanowe zmniejszają dostępność azotu w glebie. Dlatego też odpowiednie zwiększenie zawartości dostępnego azotu i próchnicy w glebie jest korzystne w celu zmniejszenia korozyjności gleby.
Gleba jest systemem o złożonym składzie i właściwościach. Korozyjność gleby jest wynikiem synergistycznego działania wielu czynników. Dlatego też, do oceny korozyjności gleby, na ogół stosuje się kompleksową metodę oceny. W odniesieniu do „Kodeksu badań inżynierii geotechnicznej” (GB50021-94) i metod testowych China Soil Corrosion Test Network, stopień korozji gleby można kompleksowo ocenić zgodnie z następującymi normami: (1) Ocena jest słabą korozją, jeśli jest tylko słaba korozja, nie ma umiarkowanej korozji lub silnej korozji; (2) jeśli nie ma silnej korozji, ocenia się ją jako umiarkowaną korozję; (3) jeśli jest jedno lub dwa miejsca silnej korozji, ocenia się ją jako silną korozję; (4) jeśli są 3 lub więcej miejsc silnej korozji, ocenia się ją jako silną korozję w przypadku silnej korozji.
Na podstawie rezystywności gleby, potencjału redoks, zawartości wody, zawartości soli, wartości pH oraz zawartości Cl i SO42 dokonano kompleksowej oceny stopnia korozji próbek gleby na różnych zboczach. Wyniki badań pokazują, że gleby na wszystkich zboczach są wysoce korozyjne.
Potencjał korozyjny jest ważnym czynnikiem wpływającym na korozję siatki ochronnej zboczy. Potencjały korozyjne trzech zboczy są niższe niż -200 mV, co ma największy wpływ na korozję siatki metalowej na zboczach wzniesień. Gradient potencjału można wykorzystać do oceny wielkości prądu błądzącego w glebie. Prąd błądzący jest ważnym czynnikiem wpływającym na korozję siatki metalowej na zboczach średnich i wzniesień, zwłaszcza na zboczach średnich. Całkowita zawartość rozpuszczalnej soli w glebach zboczy górnych, środkowych i dolnych wynosiła powyżej 500 mg/kg, a wpływ korozji na siatkę ochronną zboczy był umiarkowany. Zawartość wody w glebie jest ważnym czynnikiem wpływającym na korozję siatek metalowych na zboczach średnich i dolnych oraz ma większy wpływ na korozję siatek ochronnych zboczy. Składniki odżywcze są najliczniejsze w glebie środkowej, co wskazuje na częstą aktywność mikrobiologiczną i szybki wzrost roślin.
Badania wykazały, że potencjał korozji, gradient potencjału, całkowita zawartość soli rozpuszczalnych i zawartość wody to główne czynniki wpływające na korozję gleby na trzech zboczach, a korozyjność gleby oceniana jest jako wysoka. Korozja sieci ochrony zboczy jest najpoważniejsza na środkowym zboczu, co stanowi punkt odniesienia dla projektu antykorozyjnego sieci ochrony zboczy kolejowych. Odpowiednie dodanie dostępnego azotu i nawozów organicznych jest korzystne w celu zmniejszenia korozji gleby, ułatwienia wzrostu roślin i ostatecznie stabilizacji zbocza.
Jak cytować ten artykuł: Chen, J. i in. Wpływ składu gleby i elektrochemii na korozję sieci zboczy skalnych wzdłuż chińskiej linii kolejowej. science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL i Yang, GL Charakterystyka dynamiczna nachyleń podłoża kolejowego pod wpływem trzęsienia ziemi i klęski żywiołowej. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. i in. Analiza typowych uszkodzeń autostrad spowodowanych trzęsieniem ziemi w dotkniętym trzęsieniem ziemi obszarze Wenchuan w prowincji Syczuan [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. i Jinsong, J. Analiza uszkodzeń sejsmicznych i środki zaradcze dla mostów drogowych podczas trzęsienia ziemi w Wenchuan. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY i Liu, CC Wpływ trzęsienia ziemi w Chichi na osuwiska wywołane późniejszymi opadami deszczu w centralnej części Tajwanu. Geologia inżynierska. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. i in. Długoterminowe skutki osuwisk wywołanych trzęsieniami ziemi na produkcję osadów w zlewni górskiej: region Tanzawa, Japonia. Geomorfologia. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. i Dedong, L. Przegląd badań nad analizą stabilności sejsmicznej zboczy geotechnicznych. Inżynieria trzęsień ziemi i inżynieria drgań. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Badania zagrożeń geologicznych spowodowanych trzęsieniem ziemi w Wenchuan w Syczuanie. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Ochrona zboczy za pomocą roślinności: mechanika korzeni niektórych roślin tropikalnych. International Journal of Physical Sciences. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI i Kitayama, K. Wpływ topografii na tropikalne lasy górskie w różnych warunkach geologicznych na górze Kinabalu na Borneo.Plant Ecology.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. i in. Idealne właściwości korzeni roślin chroniące naturalne i sztuczne zbocza przed osuwiskami. Rośliny i gleby, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. i Knapen, A. Wpływ korzeni traw na podatność na erozję wierzchniej warstwy gleby podczas skoncentrowanego przepływu. Geomorfologia 76, 54–67 (2006).