Благодарим вас за посещение сайта Nature.com. Версия вашего браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего взаимодействия с сайтом мы рекомендуем использовать обновленную версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения дальнейшей поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
В качестве объекта исследования был выбран склон железной дороги Суй-Чунцин. Были изучены удельное сопротивление почвы, электрохимические характеристики почвы (коррозионный потенциал, окислительно-восстановительный потенциал, градиент потенциала и pH), содержание анионов в почве (общее содержание растворимых солей, Cl-, SO42- и другие) и питательные вещества в почве (влажность, органическое вещество, общий азот, щелочно-гидролизованный азот, доступный фосфор, доступный калий). Степень коррозии искусственной почвы оценивалась по отдельным и комплексным показателям на разных склонах. По сравнению с другими факторами, наибольшее влияние на коррозию защитной сетки склона оказывала вода, за ней следовало содержание анионов. Общее содержание растворимых солей оказывало умеренное влияние на коррозию защитной сетки склона, а блуждающие токи также оказывали умеренное влияние. Была проведена комплексная оценка степени коррозии образцов почвы, при этом коррозия на верхнем склоне была умеренной, а на среднем и нижнем склонах – сильной. Содержание органического вещества в почве значительно коррелировало с градиентом потенциала. Содержание доступного азота, доступного калия и доступного фосфора значительно коррелировало с анионами. Распределение Содержание питательных веществ в почве косвенно связано с типом склона.
При строительстве железных дорог, автомагистралей и гидротехнических сооружений часто неизбежны горные выемки. Из-за гор на юго-западе Китая строительство железных дорог требует масштабных земляных работ в горах. Это разрушает первоначальную почву и растительность, создавая обнаженные скалистые склоны. Такая ситуация приводит к оползням и эрозии почвы, что угрожает безопасности железнодорожного транспорта. Оползни представляют серьезную угрозу для автомобильного движения, особенно после землетрясения в Вэньчуане 12 мая 2008 года. Оползни стали широко распространенной и серьезной катастрофой, вызванной землетрясениями¹. В ходе оценки 2008 года 4243 километров основных магистральных дорог провинции Сычуань было зафиксировано 1736 серьезных землетрясений, затронувших дорожное полотно и подпорные стены склонов, что составило 39,76% от общей протяженности обследованной территории. Прямые экономические потери от повреждения дорог превысили 58 миллиардов юаней 2,3. Мировые примеры показывают, что геоопасные явления после землетрясений могут длиться не менее 10 лет (землетрясение на Тайване) и даже до 40-50 лет (землетрясение в Канто, Япония)4,5. Уклон является основным фактором, влияющим на сейсмическую опасность6,7. Поэтому необходимо поддерживать дорожные склоны и укреплять их устойчивость. Растения играют незаменимую роль в защите склонов и восстановлении экологического ландшафта8. По сравнению с обычными грунтовыми склонами, скальные склоны не накапливают питательные вещества, такие как органическое вещество, азот, фосфор и калий, и не имеют почвенной среды, необходимой для роста растительности. Из-за таких факторов, как большой уклон и Дождевая эрозия приводит к легкому разрушению почв на склонах. Склоновые условия суровы, отсутствуют необходимые условия для роста растений, а почва склона не обладает достаточной устойчивостью. 9. Опрыскивание склонов грунтовым материалом для защиты склона является распространенной в нашей стране технологией экологического восстановления склонов. Искусственная почва, используемая для опрыскивания, состоит из щебня, сельскохозяйственной почвы, соломы, комплексного удобрения, водоудерживающего агента и клея (обычно используются портландцемент, органический клей и эмульгатор для асфальта) в определенной пропорции. Технологический процесс таков: сначала на скалу укладывается колючая проволока, затем колючая проволока фиксируется заклепками и анкерными болтами, и, наконец, с помощью специального распылителя на склон распыляется искусственная почва с семенами. Чаще всего используется полностью оцинкованная металлическая сетка ромбовидной формы № 14, стандартная ячейка которой составляет 5 см × 5 см, а диаметр – 2 мм. Металлическая сетка позволяет сформировать прочную монолитную плиту из грунтовой матрицы на поверхности скалы. Металлическая сетка подвергается коррозии в почве, поскольку почва Сама по себе она является электролитом, и степень коррозии зависит от характеристик почвы. Оценка факторов коррозии почвы имеет большое значение для оценки эрозии металлической сетки, вызванной почвой, и устранения опасности оползней.
Считается, что корни растений играют решающую роль в стабилизации склонов и борьбе с эрозией10,11,12,13,14. Для стабилизации склонов от поверхностных оползней можно использовать растительность, поскольку корни растений способны фиксировать почву, предотвращая оползни15,16,17. Древесная растительность, особенно деревья, помогает предотвратить поверхностные оползни18. Прочная защитная структура, образованная вертикальными и боковыми корневыми системами растений, действует как укрепляющие сваи в почве. Развитие архитектурных моделей корней определяется генами, а почвенная среда играет решающую роль в этих процессах. Коррозия металлов варьируется в зависимости от почвенной среды20. Степень коррозии металлов в почве может варьироваться от довольно быстрого растворения до незначительного воздействия21. Искусственная почва сильно отличается от настоящей «почвы». Формирование естественных почв является результатом взаимодействия внешней среды и различных организмов на протяжении десятков миллионов лет22,23,24. Прежде чем древесная растительность сформирует стабильную корневую систему и экосистему, необходимо проверить, сочетается ли металлическая сетка с камнем. Безопасное функционирование склонов и искусственных грунтов напрямую связано с развитием природного хозяйства, безопасностью жизни и улучшением экологической обстановки.
Однако коррозия металлов может привести к огромным потерям. Согласно исследованию, проведенному в Китае в начале 1980-х годов в химической, машиностроительной и других отраслях промышленности, потери, вызванные коррозией металлов, составили 4% от общей стоимости продукции. Поэтому изучение механизма коррозии и принятие защитных мер имеют большое значение для экономического строительства. Почва представляет собой сложную систему газов, жидкостей, твердых веществ и микроорганизмов. Метаболиты микроорганизмов могут вызывать коррозию материалов, а блуждающие течения также могут вызывать коррозию. Поэтому важно предотвращать коррозию металлов, захороненных в почве. В настоящее время исследования коррозии захороненных металлов в основном сосредоточены на (1) факторах, влияющих на коррозию захороненных металлов25; (2) методах защиты металлов26,27; (3) методах оценки степени коррозии металлов28; Коррозии в различных средах. Однако все исследуемые почвы были природными и прошли достаточные процессы почвообразования. Тем не менее, отсутствуют данные об искусственной эрозии почвы на железнодорожных скальных склонах.
По сравнению с другими коррозионными средами, искусственная почва обладает характеристиками нетекучести, неоднородности, сезонности и региональной специфичности. Коррозия металлов в искусственных почвах вызвана электрохимическим взаимодействием между металлами и искусственной почвой. Помимо внутренних факторов, скорость коррозии металлов также зависит от окружающей среды. На коррозию металлов влияет множество факторов по отдельности или в сочетании, таких как содержание влаги, содержание кислорода, общее содержание растворимых солей, содержание анионов и ионов металлов, pH, почвенная микрофлора30,31,32.
За 30 лет практики вопрос о том, как обеспечить постоянное сохранение искусственных грунтов на скалистых склонах, оставался актуальной проблемой33. На некоторых склонах после 10 лет ручного ухода кустарники или деревья не могут расти из-за эрозии почвы. В некоторых местах грязь с поверхности металлической сетки смывается. Из-за коррозии некоторые металлические сетки трескаются и теряют всю почву над и под собой (Рисунок 1). В настоящее время исследования коррозии железнодорожных склонов в основном сосредоточены на коррозии заземляющей сетки железнодорожных подстанций, коррозии от блуждающих токов, генерируемых легкорельсовым транспортом, и коррозии железнодорожных мостов34,35, путей и другого оборудования транспортных средств36. Сообщений о коррозии защитной металлической сетки железнодорожных склонов не поступало. В данной работе изучаются физические, химические и электрохимические свойства искусственных грунтов на юго-западном скалистом склоне Суйюйской железной дороги с целью прогнозирования коррозии металла путем оценки свойств почвы и предоставления теоретической и практической основы для восстановления почвенной экосистемы и искусственного восстановления склонов.
Исследовательский участок расположен в холмистой местности провинции Сычуань (30°32′ с.ш., 105°32′ в.д.) недалеко от железнодорожной станции Суйнин. Район находится в центре Сычуаньской котловины, характеризуется невысокими горами и холмами, простой геологической структурой и равнинным рельефом. Эрозия, эрозия и накопление воды создают эродированные холмистые ландшафты. Коренные породы в основном известняковые, а вышележащие слои – преимущественно пурпурный песок и аргиллит. Целостность грунта низкая, породы имеют блочную структуру. Исследуемая территория имеет субтропический влажный муссонный климат с сезонными характеристиками: ранняя весна, жаркое лето, короткая осень и поздняя зима. Осадки обильные, световых и тепловых ресурсов много, безморозный период длительный (в среднем 285 дней), климат мягкий, среднегодовая температура составляет 17,4°C, средняя температура самого жаркого месяца (август) – 27,2°C, а максимальная экстремальная температура – 39,3°C. Самый холодный месяц — январь (средняя температура 6,5°C), экстремальная минимальная температура — -3,8°C, а среднегодовое количество осадков составляет 920 мм, в основном в июле и августе. Количество осадков весной, летом, осенью и зимой сильно варьируется. Доля осадков в каждом сезоне года составляет 19-21%, 51-54%, 22-24% и 4-5% соответственно.
Место проведения исследований представляет собой склон примерно в 45° на участке Юйсуйской железной дороги, построенной в 2003 году. В апреле 2012 года оно было обращено на юг и находилось в пределах 1 км от железнодорожной станции Суйнин. Естественный склон использовался в качестве контрольного. Экологическая реставрация склона проводилась с применением зарубежной технологии внесения верхнего слоя почвы методом распыления. В зависимости от высоты склона вдоль железной дороги, склон можно разделить на верхнюю, среднюю и нижнюю части (рис. 2). Поскольку толщина искусственного грунта, выкопанного на склоне, составляет около 10 см, во избежание загрязнения продуктами коррозии металлической сетки, мы использовали только лопату из нержавеющей стали для отбора образцов грунта с поверхности 0-8 см. Для каждой позиции склона было установлено четыре повтора, по 15-20 случайных точек отбора проб в каждом повторе. Каждый повтор представляет собой смесь из 15-20 случайно выбранных точек отбора проб по S-образной линии. Его масса в свежем виде составляет около 500 грамм. Образцы доставлялись в лабораторию в полиэтиленовых пакетах с застежкой-молнией для обработки. Почва естественным образом высушивалась на воздухе, гравий, остатки животных и растений отбирались, измельчались агатовой палочкой и просеивались через сито. Нейлоновое сито с размером ячейки 20 и 100 меш, за исключением крупных частиц.
Сопротивление грунта измерялось с помощью измерителя сопротивления заземления VICTOR4106 производства компании Shengli Instrument Company; измерение сопротивления грунта проводилось в полевых условиях. Влажность почвы измеряли методом сушки. Портативный цифровой прибор DMP-2 mv/pH имеет высокое входное сопротивление для измерения потенциала коррозии почвы. Градиент потенциала и окислительно-восстановительный потенциал определяли с помощью портативного цифрового прибора DMP-2 mv/pH, общее содержание растворимых солей в почве определяли методом сушки остатка, содержание хлорид-ионов в почве определяли методом титрования AgNO3 (метод Мора), содержание сульфатов в почве определяли косвенным методом титрования ЭДТА, методом титрования с двойным индикатором для определения карбонатов и бикарбонатов в почве, методом окисления дихроматом калия для определения органического вещества в почве, методом диффузии щелочного раствора для определения азота, полученного щелочным гидролизом почвы, методом разложения H2SO4-HClO4 и колориметрическим методом Mo-Sb. Общее содержание фосфора в почве и содержание доступного фосфора в почве определяли методом Ольсена (раствор NaHCO3 0,05 моль/л в качестве экстрагента), а общее содержание калия в почве определяли методом пламенно-ионной фотометрии с использованием гидроксида натрия.
Экспериментальные данные были первоначально систематизированы. Для проведения анализа средних значений, стандартных отклонений, однофакторного дисперсионного анализа и корреляционного анализа использовалась программа SPSS Statistics 20.
В таблице 1 представлены электромеханические свойства, анионы и питательные вещества почв с различными уклонами. Коррозионный потенциал, удельное сопротивление почвы и градиент потенциала с востока на запад для разных уклонов были значимыми (P < 0,05). Редокс-потенциалы нижнего склона, среднего склона и естественного склона были значимыми (P < 0,05). Градиент потенциала, перпендикулярный рельсу, то есть градиент потенциала с севера на юг, был следующим: верхний склон > нижний склон > средний склон. Значения pH почвы располагались в следующем порядке: нижний склон > верхний склон > средний склон > естественный склон. Общее содержание растворимых солей на естественном склоне было значительно выше, чем на железнодорожном склоне (P < 0,05). Общее содержание растворимых солей в почве железнодорожного склона третьего класса превышает 500 мг/кг, и общее содержание растворимых солей оказывает умеренное влияние на коррозию металлов. Содержание органического вещества в почве было самым высоким на естественном склоне и самым низким на нижнем склоне (P < 0,05). Общее содержание азота было самым высоким на среднем склоне и самым низким на верхнем склоне; Содержание доступного азота было самым высоким на нижнем и среднем склонах и самым низким на естественном склоне; общее содержание азота на верхнем и нижнем склонах железной дороги было ниже, но содержание доступного азота было выше. Это указывает на высокую скорость минерализации органического азота на верхнем и нижнем склонах. Содержание доступного калия такое же, как и содержание доступного фосфора.
Удельное сопротивление почвы — это показатель электропроводности и основной параметр для оценки коррозии почвы. Факторы, влияющие на удельное сопротивление почвы, включают влажность, общее содержание растворимых солей, pH, текстуру почвы, температуру, содержание органических веществ, температуру почвы и плотность. В целом, почвы с низким удельным сопротивлением более коррозионно-активны, и наоборот. Использование удельного сопротивления для оценки коррозионной активности почвы — это метод, широко используемый в различных странах. В таблице 1 показаны критерии оценки степени коррозионной активности для каждого отдельного показателя37,38.
Согласно результатам испытаний и стандартам моей страны (таблица 1), если оценивать коррозионную активность почвы только по удельному сопротивлению, то почва на верхнем склоне обладает высокой коррозионной активностью; почва на нижнем склоне – умеренной; коррозионная активность почвы на среднем и естественном склонах относительно низкая – слабая.
Удельное сопротивление грунта на верхнем склоне значительно ниже, чем на других участках склона, что может быть вызвано эрозией от дождя. Верхний слой грунта на верхнем склоне стекает с водой на средний склон, поэтому металлическая защитная сетка на верхнем склоне находится близко к верхнему слою грунта. Некоторые металлические сетки были обнажены и даже висели в воздухе (рис. 1). Удельное сопротивление грунта измерялось на месте; расстояние между сваями составляло 3 м; глубина забивки свай была менее 15 см. Открытая металлическая сетка и отслаивающаяся ржавчина могут искажать результаты измерений. Поэтому оценка коррозионной активности грунта только по показателю удельного сопротивления грунта ненадежна. При комплексной оценке коррозии удельное сопротивление грунта на верхнем склоне не учитывается.
Из-за высокой относительной влажности, постоянно влажного воздуха в районе Сычуани, металлическая сетка, подверженная воздействию воздуха, подвергается более сильной коррозии, чем металлическая сетка, закопанная в грунт39. Воздействие воздуха на проволочную сетку может привести к сокращению срока службы, что может дестабилизировать грунты на склонах. Эрозия почвы может затруднить рост растений, особенно древесных. Из-за недостатка древесных растений трудно сформировать корневую систему на склонах для укрепления почвы. В то же время рост растений может улучшить качество почвы и увеличить содержание гумуса в почве, что не только удерживает воду, но и обеспечивает благоприятную среду для роста и размножения животных и растений, тем самым уменьшая эрозию почвы. Поэтому на ранней стадии строительства следует высевать больше семян древесных растений на склонах, постоянно добавлять влагоудерживающие вещества и покрывать пленкой для защиты, чтобы уменьшить эрозию грунта на склонах дождевой водой.
Коррозионный потенциал является важным фактором, влияющим на коррозию защитной сетки склона на трехуровневом склоне, и оказывает наибольшее воздействие на склон, расположенный выше по склону (Таблица 2). В нормальных условиях коррозионный потенциал в данной среде практически не изменяется. Заметные изменения могут быть вызваны блуждающими токами. Блуждающие токи — это токи 40, 41, 42, проникающие в дорожное полотно и грунт при использовании общественного транспорта. С развитием транспортной системы железнодорожный транспорт нашей страны достиг масштабной электрификации, и коррозию заглубленных металлических конструкций, вызванную утечкой постоянного тока от электрифицированных железных дорог, нельзя игнорировать. В настоящее время градиент потенциала грунта может использоваться для определения наличия в грунте блуждающих токов. Когда градиент потенциала поверхностного слоя грунта ниже 0,5 мВ/м, блуждающие токи незначительны; когда градиент потенциала находится в диапазоне от 0,5 мВ/м до 5,0 мВ/м, блуждающие токи умеренны; Когда градиент потенциала превышает 5,0 мВ/м, уровень блуждающих токов высок. Диапазон колебаний градиента потенциала (ВЗ) на средней, верхней и нижней частях склона показан на рисунке 3. Что касается диапазона колебаний, то на средней части склона наблюдаются умеренные блуждающие токи в направлениях восток-запад и север-юг. Следовательно, блуждающие токи являются важным фактором, влияющим на коррозию металлических сеток на средней и нижней частях склона, особенно на средней части склона.
Как правило, окислительно-восстановительный потенциал почвы (Eh) выше 400 мВ указывает на окислительную способность, выше 0-200 мВ — на среднюю восстановительную способность, а ниже 0 мВ — на высокую восстановительную способность. Чем ниже окислительно-восстановительный потенциал почвы, тем выше коррозионная способность почвенных микроорганизмов по отношению к металлам44. Можно предсказать тенденцию микробной коррозии почвы по окислительно-восстановительному потенциалу. Исследование показало, что окислительно-восстановительный потенциал почвы на трех склонах превышал 500 мВ, а уровень коррозии был очень низким. Это свидетельствует о хорошей вентиляции почвы на склонах, что не способствует коррозии анаэробных микроорганизмов в почве.
Предыдущие исследования показали, что влияние pH почвы на эрозию почвы очевидно. При колебаниях значения pH скорость коррозии металлических материалов значительно изменяется. pH почвы тесно связан с площадью и микроорганизмами в почве45,46,47. В целом, влияние pH почвы на коррозию металлических материалов в слабощелочной почве не является очевидным. Почвы на всех трех железнодорожных склонах щелочные, поэтому влияние pH на коррозию металлической сетки слабое.
Как видно из таблицы 3, корреляционный анализ показывает, что окислительно-восстановительный потенциал и положение наклона значительно положительно коррелируют (R2 = 0,858), потенциал коррозии и градиент потенциала (SN) значительно положительно коррелируют (R2 = 0,755), а также окислительно-восстановительный потенциал и градиент потенциала (SN) значительно положительно коррелируют (R2 = 0,755). Между потенциалом и pH наблюдалась значительная отрицательная корреляция (R2 = -0,724). Положение склона значительно положительно коррелировало с окислительно-восстановительным потенциалом. Это показывает, что существуют различия в микросреде разных положений склона, и почвенные микроорганизмы тесно связаны с окислительно-восстановительным потенциалом48, 49, 50. Окислительно-восстановительный потенциал значительно отрицательно коррелировал с pH51,52. Эта взаимосвязь указывает на то, что значения pH и Eh не всегда изменялись синхронно в процессе окислительно-восстановительных реакций почвы, а имели отрицательную линейную зависимость. Потенциал коррозии металла может отражать относительную способность металла приобретать и терять электроны. Хотя потенциал коррозии значительно положительно коррелировал с градиентом потенциала (SN), градиент потенциала может быть вызван легкой потерей электронов металлом.
Общее содержание растворимых солей в почве тесно связано с коррозионной активностью почвы. В целом, чем выше соленость почвы, тем ниже ее удельное сопротивление, тем самым увеличивая сопротивление почвы. В почвенных электролитах не только анионы и их диапазоны, но и в основном карбонаты, хлориды и сульфаты оказывают влияние на коррозию. Кроме того, общее содержание растворимых солей в почве косвенно влияет на коррозию через влияние других факторов, таких как эффект электродного потенциала металлов и растворимость кислорода в почве53.
Большая часть растворимых солей, диссоциирующих в почве, не принимает непосредственного участия в электрохимических реакциях, но влияет на коррозию металлов через удельное сопротивление почвы. Чем выше соленость почвы, тем сильнее ее проводимость и эрозия. Содержание солей в почве естественных склонов значительно выше, чем на железнодорожных склонах, что может быть связано с тем, что естественные склоны богаты растительностью, способствующей сохранению почвы и воды. Другая причина может заключаться в том, что естественный склон прошел зрелый процесс почвообразования (почвообразующий материал, образованный в результате выветривания горных пород), тогда как почва железнодорожного склона состоит из фрагментов щебня в качестве матрицы «искусственной почвы» и не прошла достаточного процесса почвообразования. Минералы не высвобождаются. Кроме того, ионы соли в глубоких слоях почвы естественных склонов поднимались за счет капиллярного действия во время поверхностного испарения и накапливались в поверхностном слое почвы, что приводило к увеличению содержания ионов соли в поверхностном слое. Толщина слоя почвы железнодорожного склона составляет менее 20 см, что приводит к неспособности верхнего слоя почвы восполнять соль из глубоких слоев почвы.
Положительные ионы (такие как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и др.) оказывают незначительное влияние на коррозию почвы, в то время как анионы играют важную роль в электрохимическом процессе коррозии и оказывают существенное влияние на коррозию металлов. Cl− может ускорять коррозию анода и является наиболее коррозионно-активным анионом; чем выше содержание Cl−, тем сильнее коррозия почвы. SO42− не только способствует коррозии стали, но и вызывает коррозию некоторых бетонных материалов54. Также вызывает коррозию железа. В серии экспериментов с кислыми почвами было установлено, что скорость коррозии пропорциональна кислотности почвы55. Хлорид и сульфат являются основными компонентами растворимых солей, которые могут непосредственно ускорять кавитацию металлов. Исследования показали, что потеря массы углеродистой стали при коррозии в щелочных почвах почти пропорциональна добавлению хлорид- и сульфат-ионов56,57. Ли и др. Было установлено, что SO42- может препятствовать коррозии, но способствовать развитию уже образовавшихся коррозионных ямок58.
Согласно стандарту оценки коррозионной активности почвы и результатам испытаний, содержание хлорид-ионов в каждом образце почвы на склоне превышало 100 мг/кг, что указывает на сильную коррозионную активность почвы. Содержание сульфат-ионов как на верхнем, так и на нижнем склонах превышало 200 мг/кг и было ниже 500 мг/кг соответственно, что свидетельствует об умеренной коррозии почвы. Содержание сульфат-ионов на среднем склоне ниже 200 мг/кг, что указывает на слабую коррозию почвы. При высокой концентрации сульфат-ионов в почвенной среде они участвуют в реакции и образуют коррозионный налет на поверхности металлического электрода, замедляя тем самым коррозионную реакцию. По мере увеличения концентрации налет может внезапно разрушаться, значительно ускоряя скорость коррозии; при дальнейшем увеличении концентрации коррозионный налет покрывает поверхность металлического электрода, и скорость коррозии снова начинает замедляться59. Исследование показало, что количество сульфат-ионов в почве было низким и, следовательно, оказывало незначительное влияние на коррозию.
Согласно таблице 4, корреляция между уклоном и анионами почвы показала значительную положительную корреляцию между уклоном и хлорид-ионами (R2=0,836), а также значительную положительную корреляцию между уклоном и общим содержанием растворимых солей (R2=0,742).
Это позволяет предположить, что поверхностный сток и эрозия почвы могут быть причиной изменений общего содержания растворимых солей в почве. Была обнаружена значительная положительная корреляция между общим содержанием растворимых солей и хлорид-ионами, что может быть связано с тем, что общее содержание растворимых солей представляет собой пул хлорид-ионов, а содержание общего содержания растворимых солей определяет содержание хлорид-ионов в почвенных растворах. Следовательно, можно сделать вывод, что разница в наклоне может вызывать сильную коррозию металлической сетки.
Органическое вещество, общий азот, доступный азот, доступный фосфор и доступный калий являются основными питательными веществами почвы, влияющими на ее качество и усвоение питательных веществ корневой системой. Питательные вещества почвы являются важным фактором, влияющим на микроорганизмы в почве, поэтому стоит изучить, существует ли корреляция между питательными веществами почвы и коррозией металлов. Строительство Суйюйской железной дороги было завершено в 2003 году, а это значит, что искусственный грунт накопил органическое вещество только за 9 лет. Ввиду специфики искусственного грунта необходимо хорошо понимать его питательный состав.
Исследование показывает, что содержание органического вещества наиболее высокое в почве естественного склона после всего процесса почвообразования. Содержание органического вещества в почве нижнего склона было самым низким. Под воздействием выветривания и поверхностного стока питательные вещества накапливаются на среднем и нижнем склонах, образуя толстый слой гумуса. Однако из-за мелкого размера частиц и низкой стабильности почвы нижнего склона органическое вещество легко разлагается микроорганизмами. Исследование показало, что растительный покров и разнообразие на среднем и нижнем склонах высоки, но однородность низкая, что может привести к неравномерному распределению питательных веществ на поверхности. Толстый слой гумуса удерживает воду, и почвенные организмы активны. Все это ускоряет разложение органического вещества в почве.
Содержание щелочно-гидролизованного азота в верхнем, среднем и нижнем склонах железнодорожных путей было выше, чем в естественном склоне, что указывает на значительно более высокую скорость минерализации органического азота на железнодорожном склоне по сравнению с естественным склоном. Чем меньше частицы, тем нестабильнее структура почвы, тем легче микроорганизмам разлагать органическое вещество в агрегатах и ​​тем больше запас минерализованного органического азота60,61. В соответствии с результатами исследования62, содержание мелких частиц в агрегатах почвы железнодорожных склонов было значительно выше, чем в естественных склонах. Поэтому необходимо принять соответствующие меры для увеличения содержания удобрений, органического вещества и азота в почве железнодорожного склона и для улучшения устойчивого использования почвы. Потеря доступного фосфора и доступного калия, вызванная поверхностным стоком, составила от 77,27% до 99,79% от общей потери на железнодорожном склоне. Поверхностный сток может быть основной причиной потери доступных питательных веществ на склоне. почвы63,64,65.
Как показано в таблице 4, наблюдалась значительная положительная корреляция между положением склона и доступным фосфором (R2=0,948), а также аналогичная корреляция между положением склона и доступным калием (R2=0,898). Это свидетельствует о том, что положение склона влияет на содержание доступного фосфора и доступного калия в почве.
Уклон является важным фактором, влияющим на содержание органического вещества в почве и обогащение азотом66, и чем меньше уклон, тем выше скорость обогащения. Для обогащения почвы питательными веществами потери питательных веществ были ослаблены, и влияние положения на склоне на содержание органического вещества в почве и общее обогащение азотом не было очевидным. Различные типы и количество растений на разных склонах выделяют разные органические кислоты корнями растений. Органические кислоты способствуют фиксации доступного фосфора и доступного калия в почве. Поэтому наблюдалась значительная корреляция между положением на склоне и доступным фосфором, а также между положением на склоне и доступным калием.
Для уточнения взаимосвязи между питательными веществами почвы и коррозией почвы необходимо проанализировать корреляцию. Как показано в таблице 5, окислительно-восстановительный потенциал значительно отрицательно коррелировал с доступным азотом (R2 = -0,845) и значительно положительно коррелировал с доступным фосфором (R2 = 0,842) и доступным калием (R2 = 0,980). Окислительно-восстановительный потенциал отражает качество окислительно-восстановительных процессов, на которое обычно влияют некоторые физико-химические свойства почвы, а затем и ряд других свойств почвы. Поэтому он является важным фактором, определяющим направление трансформации питательных веществ в почве67. Различные качества окислительно-восстановительных процессов могут приводить к различным состояниям и доступности питательных веществ. Поэтому окислительно-восстановительный потенциал имеет значительную корреляцию с доступным азотом, доступным фосфором и доступным калием.
Помимо свойств металлов, коррозионный потенциал также связан со свойствами почвы. Коррозионный потенциал значительно отрицательно коррелировал с содержанием органического вещества, что указывает на существенное влияние органического вещества на коррозионный потенциал. Кроме того, содержание органического вещества также значительно отрицательно коррелировало с градиентом потенциала (SN) (R2 = -0,713) и сульфат-ионами (R2 = -0,671), что указывает на то, что содержание органического вещества также влияет на градиент потенциала (SN) и сульфат-ионы. Была обнаружена значительная отрицательная корреляция между pH почвы и доступным калием (R2 = -0,728).
Содержание доступного азота значительно отрицательно коррелировало с общим содержанием растворимых солей и хлорид-ионов, а содержание доступного фосфора и доступного калия значительно положительно коррелировало с общим содержанием растворимых солей и хлорид-ионов. Это указывает на то, что содержание доступных питательных веществ значительно влияло на количество общего содержания растворимых солей и хлорид-ионов в почве, а анионы в почве не способствовали накоплению и поступлению доступных питательных веществ. Общее содержание азота значительно отрицательно коррелировало с содержанием сульфат-ионов и значительно положительно коррелировало с содержанием бикарбонатов, что указывает на влияние общего содержания азота на содержание сульфатов и бикарбонатов. Растения мало нуждаются в сульфат-ионах и бикарбонат-ионах, поэтому большая их часть находится в почве в свободном состоянии или поглощается почвенными коллоидами. Бикарбонат-ионы способствуют накоплению азота в почве, а сульфат-ионы снижают доступность азота в почве. Следовательно, соответствующее увеличение содержания доступного азота и гумуса в почве способствует снижению коррозионной активности почвы.
Грунт представляет собой систему со сложным составом и свойствами. Коррозионная активность грунта является результатом синергетического действия многих факторов. Поэтому для оценки коррозионной активности грунта обычно используется комплексный метод оценки. С учетом «Кодекса геотехнических исследований» (GB50021-94) и методов испытаний Китайской сети испытаний на коррозию грунта, степень коррозии грунта может быть оценена комплексно в соответствии со следующими стандартами: (1) оценка – слабая коррозия; если коррозия слабая, значит, отсутствует умеренная или сильная коррозия; (2) если сильная коррозия отсутствует, оценивается как умеренная коррозия; (3) если имеется одно или два места сильной коррозии, оценивается как сильная коррозия; (4) если имеется 3 или более мест сильной коррозии, оценивается как сильная коррозия.
На основании удельного сопротивления грунта, окислительно-восстановительного потенциала, содержания воды, содержания солей, значения pH, а также содержания Cl- и SO42- была проведена комплексная оценка степени коррозии образцов грунта на различных склонах. Результаты исследования показывают, что грунты на всех склонах обладают высокой коррозионной активностью.
Коррозионный потенциал является важным фактором, влияющим на коррозию защитной сетки склона. Коррозионные потенциалы всех трех склонов ниже -200 мВ, что оказывает наибольшее влияние на коррозию металлической сетки на склоне. Градиент потенциала можно использовать для оценки величины блуждающих токов в почве. Блуждающие токи являются важным фактором, влияющим на коррозию металлической сетки на средних и верхних склонах, особенно на средних склонах. Общее содержание растворимых солей в почвах верхнего, среднего и нижнего склонов превышало 500 мг/кг, а коррозионное воздействие на защитную сетку склона было умеренным. Содержание почвенной влаги является важным фактором, влияющим на коррозию металлических сеток на средних и нижних склонах, и оказывает большее влияние на коррозию защитных сеток склона. Питательные вещества наиболее обильны в почве средних склонов, что указывает на частую микробную активность и быстрый рост растений.
Исследование показывает, что потенциал коррозии, градиент потенциала, общее содержание растворимых солей и содержание воды являются основными факторами, влияющими на коррозию грунта на трех склонах, и коррозионная активность грунта оценивается как высокая. Коррозия сети защиты склона наиболее серьезна на среднем склоне, что служит ориентиром для проектирования антикоррозионной защиты железнодорожных склонов. Соответствующее добавление доступного азота и органических удобрений способствует снижению коррозии грунта, стимулирует рост растений и, в конечном итоге, стабилизирует склон.
Как цитировать эту статью: Чен, Дж. и др. Влияние состава почвы и электрохимии на коррозию сети скальных склонов вдоль китайской железнодорожной линии. Science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Лин, Ю.Л. и Ян, Г.Л. Динамические характеристики откосов железнодорожного полотна при сейсмическом воздействии. Стихийное бедствие.69, 219–235 (2013).
Суй Ван, Дж. и др. Анализ типичных повреждений автомагистралей в районе Вэньчуань провинции Сычуань, пострадавшем от землетрясения [J]. Китайский журнал механики горных пород и инженерного дела. 28, 1250–1260 (2009).
Вэйлинь, З., Чжэньюй, Л. и Цзиньсун, Дж. Анализ сейсмических повреждений и меры противодействия землетрясению в Вэньчуане на автомобильных мостах. Китайский журнал механики горных пород и инженерного дела. 28, 1377–1387 (2009).
Лин, Ч.В., Лю, С.Х., Ли, С.Ю. и Лю, С.К. Влияние землетрясения в Чичи на оползни, вызванные последующими осадками в центральной части Тайваня. Инженерная геология. 86, 87–101 (2006).
Кои, Т. и др. Долгосрочные последствия оползней, вызванных землетрясениями, для образования наносов в горном водосборном бассейне: регион Танзава, Япония. Геоморфология. 101, 692–702 (2008).
Хуншуай, Л., Цзиншань, Б. и Дедун, Л. Обзор исследований по анализу сейсмической устойчивости геотехнических склонов. Сейсмостойкое строительство и инженерные вибрации. 25, 164–171 (2005).
Юэ Пин, Исследование геологических опасностей, вызванных землетрясением в Вэньчуане, провинция Сычуань. Журнал инженерной геологии 4, 7–12 (2008).
Али, Ф. Защита склонов с помощью растительности: механика корней некоторых тропических растений. Международный журнал физических наук. 5, 496–506 (2010).
Такю, М., Айба, С.И. и Китаяма, К. Топографические эффекты на тропические низкогорные леса в различных геологических условиях на горе Кинабалу, Борнео. Экология растений. 159, 35–49 (2002).
Стоукс, А. и др. Идеальные характеристики корневой системы растений для защиты естественных и искусственных склонов от оползней. Растения и почвы, 324, 1-30 (2009).
Де Баетс, С., Поэзен, Й., Гиссельс, Г. и Кнапен, А. Влияние корней травы на эрозионную способность верхнего слоя почвы во время концентрированного потока. Геоморфология 76, 54–67 (2006).