Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat stöd för CSS. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller stänger av kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, kommer vi att visa webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Med Sui-Chongqing järnvägssluttning som forskningsobjekt, markresistivitet, markelektrokemi (korrosionspotential, redoxpotential, potentiell gradient och pH), markanjoner (totala lösliga salter, Cl-, SO42- och) och marknäring (fukthalt, organiskt material, totalt kväve, alkalihydrolyserat kväve, tillgängligt fosfor, tillgängligt kalium). Under olika sluttningar utvärderas korrosionsgraden enligt de individuella indikatorerna och omfattande indikatorerna för konstgjord jord. Jämfört med andra faktorer har vatten störst inverkan på korrosionen av sluttningsskyddsnätet, följt av anjonhalten. Det totala lösliga saltet har en måttlig effekt på korrosionen av sluttningsskyddsnätet, och läckströmmen har en måttlig effekt på korrosionen av sluttningsskyddsnätet. Korrosionsgraden av jordprover utvärderades omfattande, och korrosionen på den övre sluttningen var måttlig, och korrosionen på de mellersta och nedre sluttningarna var stark. Det organiska materialet i jorden korrelerade signifikant med den potentiella gradienten. Tillgängligt kväve, tillgängligt kalium och tillgängligt fosfor korrelerade signifikant med anjoner. Fördelningen av marknäringsämnen är indirekt relaterad till sluttningstypen.
När man bygger järnvägar, motorvägar och vattenskyddsanläggningar är öppningar i bergen ofta oundvikliga. På grund av bergen i sydväst kräver Kinas järnvägsbyggnation mycket utgrävning av berget. Det förstör den ursprungliga jorden och vegetationen, vilket skapar exponerade klippiga sluttningar. Denna situation leder till jordskred och jorderosion, vilket hotar säkerheten för järnvägstransporter. Jordskred är dåliga för vägtrafiken, särskilt efter jordbävningen i Wenchuan den 12 maj 2008. Jordskred har blivit en vitt spridd och allvarlig jordbävningskatastrof. I 2008 års utvärdering av 4 243 kilometer viktiga huvudvägar i Sichuanprovinsen inträffade 1 736 allvarliga jordbävningskatastrofer i vägunderlag och stödmurar i sluttningar, vilket motsvarade 39,76 % av utvärderingens totala längd. Direkta ekonomiska förluster från vägskador översteg 58 miljarder yuan 2,3. Globala exempel visar att geologiska risker efter jordbävningar kan vara i minst 10 år (jordbävningen i Taiwan) och till och med så länge som 40–50 år (jordbävningen i Kanto i Japan) 4,5. Lutning är den viktigaste faktorn som påverkar jordbävningsrisken 6,7. Därför är det nödvändigt att bibehålla vägens sluttning och stärka dess stabilitet. Växter spelar en oersättlig roll i sluttningsskydd och återställning av ekologiskt landskap 8. Jämfört med vanliga jordslänningar har bergslänningar inte den ansamling av näringsämnen som organiskt material, kväve, fosfor och kalium, och har inte den jordmiljö som krävs för vegetationstillväxt. På grund av faktorer som stor sluttning och regnerosion förloras jord i sluttningar lätt. Sluttningsmiljön är hård, saknar de nödvändiga förutsättningarna för växttillväxt, och sluttningens jord saknar stödjande stabilitet9. Sluttningssprutning med basmaterial för att täcka jorden för att skydda sluttningen är en vanligt förekommande teknik för ekologisk restaurering av sluttningar i mitt land. Den konstgjorda jorden som används för sprutning består av krossad sten, jordbruksjord, halm, sammansatt gödselmedel, vattenhållande medel och lim (vanligt använda lim inkluderar portlandcement, organiskt lim och asfaltemulgeringsmedel) i en viss proportion. Den tekniska processen är: lägg först taggtråd på berget, fixera sedan taggtråden med nitar och förankringsbultar, och spruta slutligen konstgjord jord som innehåller frön på sluttningen med en speciell spruta. Det 14# diamantformade metallnätet som är helt galvaniserat används mestadels, med en maskstorlek på 5cm×5cm och en diameter på 2mm. Metallnätet gör att jordmatrisen kan bilda en hållbar monolitisk platta på bergytan. Metallnätet kommer att korrodera i jorden, eftersom jorden i sig är en elektrolyt, och korrosionsgraden beror på jordens egenskaper. Utvärderingen av jordkorrosionsfaktorer är av stor betydelse för att utvärdera jordinducerad metall näterosion och eliminering av jordskredrisker.
Växtrötter tros spela en avgörande roll i sluttningsstabilisering och erosionskontroll10,11,12,13,14. För att stabilisera sluttningar mot grunda jordskred kan vegetation användas eftersom växtrötter kan fixera jorden för att förhindra jordskred15,16,17. Trädvegetation, särskilt träd, hjälper till att förhindra grunda jordskred18. En robust skyddande struktur som bildas av växternas vertikala och laterala rotsystem som fungerar som förstärkande pålar i jorden. Utvecklingen av rotarkitekturmönster drivs av gener, och jordmiljön spelar en avgörande roll i dessa processer. Korrosion mot metaller varierar med jordmiljön20. Graden av korrosion av metaller i jord kan variera från ganska snabb upplösning till försumbar påverkan21. Konstgjord jord skiljer sig mycket från riktig "jord". Bildningen av naturliga jordar är resultatet av interaktioner mellan den yttre miljön och olika organismer under tiotals miljoner år22,23,24. Innan den träiga vegetationen bildar ett stabilt rotsystem och ekosystem är huruvida metallnätet i kombination med bergsluttningen och den konstgjorda jorden kan fungera säkert direkt relaterat till utvecklingen av den naturliga ekonomin, livets säkerhet och förbättring av den ekologiska miljön.
Korrosion av metaller kan dock leda till enorma förluster. Enligt en undersökning som genomfördes i Kina i början av 1980-talet om kemiska maskiner och andra industrier stod förluster orsakade av metallkorrosion för 4 % av det totala produktionsvärdet. Därför är det av stor betydelse att studera korrosionsmekanismen och vidta skyddsåtgärder för ekonomisk konstruktion. Jord är ett komplext system av gaser, vätskor, fasta ämnen och mikroorganismer. Mikrobiella metaboliter kan korrodera material, och läckströmmar kan också orsaka korrosion. Därför är det viktigt att förhindra korrosion av metaller som är begravda i jord. För närvarande fokuserar forskningen om nedgrävd metallkorrosion huvudsakligen på (1) faktorer som påverkar nedgrävd metallkorrosion25; (2) metallskyddsmetoder26,27; (3) bedömningsmetoder för graden av metallkorrosion28; Korrosion i olika medier. Alla jordar i studien var dock naturliga och hade genomgått tillräckliga jordbildningsprocesser. Det finns dock ingen rapport om artificiell jorderosion av järnvägsbergsluttningar.
Jämfört med andra korrosiva medier har konstgjord jord egenskaper som illikviditet, heterogenitet, säsongsvariation och regionalitet. Metallkorrosion i konstgjorda jordar orsakas av elektrokemiska interaktioner mellan metaller och konstgjorda jordar. Förutom medfödda faktorer beror hastigheten för metallkorrosion också på den omgivande miljön. En mängd olika faktorer påverkar metallkorrosion individuellt eller i kombination, såsom fukthalt, syrehalt, totalt lösligt saltinnehåll, anjon- och metalljonhalt, pH, jordmikrober30,31,32.
Under 30 års praktik har frågan om hur man permanent kan bevara konstgjorda jordar på steniga sluttningar varit ett problem33. Buskar eller träd kan inte växa på vissa sluttningar efter 10 års manuell skötsel på grund av jorderosion. Smuts på ytan av metallnätet har spolats bort på vissa ställen. På grund av korrosion sprack vissa metallnät och förlorade all jord ovanför och under dem (Figur 1). För närvarande fokuserar forskningen om korrosion i järnvägssluttningar huvudsakligen på korrosion av järnvägsstationers jordnät, läckströmskorrosion genererad av spårväg och korrosion av järnvägsbroar34,35, spår och annan fordonsutrustning36. Det har inte rapporterats om korrosion av metallnätet för järnvägssluttningar. Denna artikel studerar de fysikaliska, kemiska och elektrokemiska egenskaperna hos konstgjorda jordar på den sydvästra stensluttningen av Suiyu-järnvägen, med syftet att förutsäga metallkorrosion genom att bedöma jordegenskaper och ge en teoretisk och praktisk grund för restaurering av markekosystem och konstgjord restaurering. Konstgjorda sluttningar.
Testplatsen ligger i det kuperade området i Sichuan (30°32′N, 105°32′Ö) nära Suining järnvägsstation. Området ligger mitt i Sichuanbäckenet, med låga berg och kullar, med enkel geologisk struktur och platt terräng. Erosion, skärning och ansamling av vatten skapar eroderade kuperade landskap. Berggrunden består huvudsakligen av kalksten, och jordlagret består huvudsakligen av purpurfärgad sand och lersten. Integriteten är dålig och berget har en blockig struktur. Studieområdet har ett subtropiskt fuktigt monsunklimat med säsongsbetonade egenskaper som tidig vår, varm sommar, kort höst och sen vinter. Nederbörden är riklig, ljus- och värmeresurserna är rikliga, den frostfria perioden är lång (285 dagar i genomsnitt), klimatet är milt, den årliga medeltemperaturen är 17,4°C, medeltemperaturen för den varmaste månaden (augusti) är 27,2°C och den extrema högsta temperaturen är 39,3°C. Den kallaste månaden är januari (medeltemperaturen är 6,5°C), den extrema lägsta Temperaturen är -3,8°C och den årliga genomsnittliga nederbörden är 920 mm, huvudsakligen koncentrerad till juli och augusti. Nederbörden under vår, sommar, höst och vinter varierar kraftigt. Andelen nederbörd under varje säsong på året är 19–21 %, 51–54 %, 22–24 % respektive 4–5 %.
Forskningsplatsen ligger i en sluttning på cirka 45° på sluttningen av Yu-Sui-järnvägen som byggdes 2003. I april 2012 vette den söderut, inom 1 km från Suining järnvägsstation. Den naturliga sluttningen användes som kontroll. Den ekologiska restaureringen av sluttningen använder utländsk toppdressingteknik för ekologisk restaurering. Beroende på höjden på järnvägssluttningen kan sluttningen delas in i uppförsbacke, mittsluttning och nedförsbacke (Fig. 2). Eftersom tjockleken på den konstgjorda jorden i den skurna sluttningen är cirka 10 cm, för att undvika förorening av korrosionsprodukter från jordens metallnät, använder vi endast en spade av rostfritt stål för att ta jordytan 0-8 cm. Fyra replikat sattes för varje sluttningsposition, med 15-20 slumpmässiga provtagningspunkter per replikat. Varje replikat är en blandning av 15-20 slumpmässigt bestämda från S-formade linjeprovtagningspunkter. Dess färskvikt är cirka 500 gram. Ta tillbaka proverna till laboratoriet i polyeten-ziplock-påsar för bearbetning. Jorden lufttorkas naturligt, och grus och djur- och växtrester plockas ut, krossas med en agatpinne och siktas med en 20-mesh, 100-mesh nylonsikt förutom de grova partiklarna.
Jordresistiviteten mättes med VICTOR4106-jordningsresistansmätaren tillverkad av Shengli Instrument Company; jordresistiviteten mättes i fält; Jordfuktigheten mättes med torkningsmetoden. Det bärbara digitala mv/pH-instrumentet DMP-2 har hög ingångsimpedans för mätning av jordkorrosionspotential. Potentiell gradient och redoxpotential bestämdes med DMP-2 bärbar digital mv/pH, totalt lösligt salt i jorden bestämdes med resttorkningsmetoden, kloridjoninnehållet i jorden bestämdes med AgNO3-titreringsmetoden (Mohr-metoden), jordens sulfatinnehåll bestämdes med indirekt EDTA-titreringsmetod, dubbelindikatortitreringsmetod för att bestämma jordkarbonat och bikarbonat, kaliumdikromatoxidationsuppvärmningsmetod för att bestämma jordens organiska material, alkalisk lösningsdiffusionsmetod för att bestämma jordalkalisk hydrolyskväve, H2SO4-HClO4-digerering Mo-Sb kolorimetrisk metod Totalt fosfor i jorden och tillgängligt fosforinnehåll i jorden bestämdes med Olsen-metoden (0,05 mol/L NaHCO3-lösning som extraktionsmedel), och totalt kaliuminnehåll i jorden bestämdes med natriumhydroxidfusionsflamfotometri.
Experimentdata systematiserades initialt. SPSS Statistics 20 användes för att utföra medelvärde, standardavvikelse, envägs ANOVA och korrelationsanalys med människor.
Tabell 1 presenterar de elektromekaniska egenskaperna, anjoner och näringsämnen i jordar med olika lutningar. Korrosionspotentialen, jordresistiviteten och den öst-västliga potentiella gradienten för olika sluttningar var alla signifikanta (P < 0,05). Redoxpotentialerna för nedförsbacke, mittsluttning och naturlig sluttning var signifikanta (P < 0,05). Den potentiella gradienten vinkelrätt mot rälsen, det vill säga den nord-sydliga potentiella gradienten, är uppförsbacke>nedförsbacke>mittsluttning. Jordens pH-värde var i storleksordningen nedförsbacke>uppförsbacke>mittsluttning>naturlig sluttning. Totalt lösligt salt, naturlig sluttning var signifikant högre än järnvägsluttningen (P < 0,05). Den totala lösliga salthalten i tredjegradig järnvägssluttningsjord är över 500 mg/kg, och det totala lösliga saltet har en måttlig effekt på metallkorrosion. Jordens organiska materialhalt var högst i den naturliga sluttningen och lägst i nedförsbacken (P < 0,05). Den totala kvävehalten var högst i mittsluttningen och lägst i uppförsbacken; Den tillgängliga kvävehalten var högst i nedförsbacken och mellersta sluttningen, och lägst i den naturliga sluttningen; den totala kvävehalten i järnvägens uppförsbacke och nedförsbacke var lägre, men den tillgängliga kvävehalten var högre. Detta indikerar att mineraliseringshastigheten för organiskt kväve är snabb i uppförsbacke och nedförsbacke. Tillgängligt kaliuminnehåll är detsamma som tillgängligt fosfor.
Jordresistivitet är ett index som indikerar elektrisk ledningsförmåga och en grundläggande parameter för att bedöma jordkorrosion. Faktorer som påverkar jordresistiviteten inkluderar fukthalt, totalt lösligt saltinnehåll, pH, jordstruktur, temperatur, innehåll av organiskt material, jordtemperatur och täthet. Generellt sett är jordar med låg resistivitet mer korrosiva och vice versa. Att använda resistivitet för att bedöma jordkorrosivitet är en metod som vanligtvis används i olika länder. Tabell 1 visar utvärderingskriterierna för korrosivitetsgrad för varje enskilt index37,38.
Enligt testresultat och standarder i mitt land (tabell 1), om jordens korrosivitet endast utvärderas utifrån jordens resistivitet, är jorden i uppförsbacken mycket korrosiv; jorden i nedförsbacken är måttligt korrosiv; och jordens korrosivitet i mellersta sluttningen och den naturliga sluttningen är relativt låg och svag.
Jordresistiviteten i uppförsbacken är betydligt lägre än i andra delar av sluttningen, vilket kan orsakas av regnerosion. Matjorden i uppförsbacken flyter med vattnet till mittsluttningen, så att metallskyddsnätet i uppförsbacken ligger nära matjorden. Några av metallnäten var exponerade och hängde till och med i luften (Figur 1). Jordresistiviteten mättes på plats; pålavståndet var 3 m; påldrivningsdjupet var under 15 cm. Bara metallnät och flagnande rost kan störa mätresultaten. Därför är det otillförlitligt att utvärdera jordens korrosivitet endast med hjälp av jordresistivitetsindex. I den omfattande utvärderingen av korrosion beaktas inte jordens resistivitet i uppförsbacken.
På grund av den höga relativa luftfuktigheten orsakar den permanenta fuktiga luften i Sichuan-området att metallnätet som exponeras för luften korroderar allvarligare än metallnätet som är begravt i jorden39. Exponering av trådnät för luft kan resultera i minskad livslängd, vilket kan destabilisera uppförsbacke. Jordförlust kan göra det svårt för växter, särskilt vedartade växter, att växa. På grund av bristen på vedartade växter är det svårt att bilda ett rotsystem uppförsbacke för att stelna jorden. Samtidigt kan växttillväxt också förbättra jordkvaliteten och öka humushalten i jorden, vilket inte bara kan hålla kvar vatten, utan också ge en god miljö för tillväxt och reproduktion av djur och växter, vilket minskar jordförlusten. Därför bör man i ett tidigt skede av byggandet så fler vedartade frön i uppförsbacken, och vattenhållande medel bör tillsättas kontinuerligt och täckas med film för skydd, för att minska erosionen av uppförsbacke-jorden från regnvatten.
Korrosionspotentialen är en viktig faktor som påverkar korrosionen av sluttningsskyddsnätet på en trenivås sluttning och har störst inverkan på uppförsbacken (tabell 2). Under normala förhållanden förändras inte korrosionspotentialen mycket i en given miljö. En märkbar förändring kan orsakas av lösströmmar. Llösströmmar avser strömmarna 40, 41, 42 som läcker in i vägbotten och jordmediet när fordon använder kollektivtrafiken. Med utvecklingen av transportsystemet har mitt lands järnvägstransportsystem uppnått storskalig elektrifiering, och korrosion av nedgrävda metaller orsakad av likströmsläckage från elektrifierade järnvägar kan inte ignoreras. För närvarande kan jordpotentialgradienten användas för att avgöra om jorden innehåller störningar från lösströmmar. När potentialgradienten för ytjorden är lägre än 0,5 mv/m är lösströmmen låg; när potentialgradienten ligger i intervallet 0,5 mv/m till 5,0 mv/m är lösströmmen måttlig; När potentialgradienten är större än 5,0 mv/m är nivån av läckströmmar hög. Det flytande området för potentialgradienten (EW) i mittsluttningen, uppförsbacken och nedförsbacken visas i figur 3. När det gäller det flytande området finns det måttliga läckströmmar i öst-västliga och nord-sydliga riktningar i mittsluttningen. Därför är läckströmmar en viktig faktor som påverkar korrosionen av metallnät i mittsluttningen och nedförsbacken, särskilt i mittsluttningen.
Generellt sett indikerar markens redoxpotential (Eh) över 400 mV oxiderande förmåga, över 0-200 mV medelhög reduktionsförmåga och under 0 mV stor reduktionsförmåga. Ju lägre markens redoxpotential är, desto större är markmikroorganismernas korrosionsförmåga mot metaller44. Det är möjligt att förutsäga trenden för markmikrobiell korrosion utifrån redoxpotentialen. Studien fann att markens redoxpotential i de tre sluttningarna var större än 500 mV, och korrosionsnivån var mycket liten. Den visar att markventilationsförhållandena i sluttningsmarken är goda, vilket inte bidrar till korrosion av anaeroba mikroorganismer i jorden.
Tidigare studier har funnit att effekten av markens pH på jorderosion är uppenbar. Med fluktuationer i pH-värdet påverkas korrosionshastigheten för metallmaterial avsevärt. Markens pH är nära relaterat till området och mikroorganismerna i jorden45,46,47. Generellt sett är effekten av markens pH på korrosionen av metallmaterial i svagt alkalisk jord inte uppenbar. Jordarna i de tre järnvägssluttningarna är alla alkaliska, så effekten av pH på korrosionen av metallnätet är svag.
Som framgår av tabell 3 visar korrelationsanalysen att redoxpotentialen och lutningspositionen är signifikant positivt korrelerade (R2 = 0,858), korrosionspotentialen och potentialgradienten (SN) är signifikant positivt korrelerade (R2 = 0,755), och redoxpotentialen och potentialgradienten (SN) är signifikant positivt korrelerade (R2 = 0,755). Det fanns en signifikant negativ korrelation mellan potential och pH (R2 = -0,724). Lutningspositionen var signifikant positivt korrelerad med redoxpotentialen. Detta visar att det finns skillnader i mikromiljön för olika lutningspositioner, och att jordmikroorganismer är nära besläktade med redoxpotentialen48, 49, 50. Redoxpotentialen var signifikant negativt korrelerad med pH51,52. Detta samband indikerade att pH- och Eh-värden inte alltid förändrades synkront under jordens redoxprocess, utan hade ett negativt linjärt samband. Metallkorrosionspotential kan representera den relativa förmågan att ta upp och förlora elektroner. Även om korrosionspotentialen var signifikant positivt korrelerad med potentialgradienten (SN), kan potentialgradienten orsakas av metallens lätta elektronförlust.
Jordens totala lösliga salthalt är nära relaterad till jordens korrosivitet. Generellt sett, ju högre jordens salthalt är, desto lägre är jordens resistivitet, vilket ökar jordens motståndskraft. I jordens elektrolyter är det inte bara anjonerna och varierande intervall, utan även karbonater, klorider och sulfater som påverkar korrosionen. Dessutom påverkar den totala lösliga salthalten i jorden indirekt korrosionen genom inverkan av andra faktorer, såsom effekten av elektrodpotential i metaller och jordens syrelöslighet.
De flesta av de lösliga saltdissocierade jonerna i jorden deltar inte direkt i elektrokemiska reaktioner, utan påverkar metallkorrosion genom jordens resistivitet. Ju högre jordens salthalt är, desto starkare är jordens konduktivitet och desto starkare är jorderosionen. Jordens salthalt i naturliga sluttningar är betydligt högre än i järnvägssluttningar, vilket kan bero på att naturliga sluttningar är rika på vegetation, vilket bidrar till jord- och vattenhushållning. En annan anledning kan vara att den naturliga sluttningen har upplevt mogen jordbildning (jordmaterial bildat genom bergvittring), men järnvägssluttningens jord består av krossade stenfragment som matris av "konstgjord jord" och har inte genomgått en tillräcklig jordbildningsprocess. Mineraler frigörs inte. Dessutom steg saltjonerna i den djupa jorden i naturliga sluttningar genom kapillärverkan under ytavdunstning och ackumulerades i ytjorden, vilket resulterade i en ökning av innehållet av saltjoner i ytjorden. Jordtjockleken på järnvägssluttningen är mindre än 20 cm, vilket resulterar i att matjorden inte kan komplettera saltet från den djupa jorden.
Positiva joner (såsom K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, etc.) har liten effekt på jordkorrosion, medan anjoner spelar en betydande roll i den elektrokemiska korrosionsprocessen och har en betydande inverkan på metallkorrosion. Cl− kan accelerera korrosionen av anoden och är den mest korrosiva anjonen; ju högre Cl−-halt, desto starkare är jordkorrosionen. SO42− främjar inte bara korrosion av stål, utan orsakar även korrosion i vissa betongmaterial54. Korroderar även järn. I en serie experiment med sura jordar fann man att korrosionshastigheten var proportionell mot jordens surhet55. Klorid och sulfat är huvudkomponenterna i lösliga salter, vilka direkt kan accelerera kavitationen av metaller. Studier har visat att korrosionsviktförlusten för kolstål i alkaliska jordar är nästan proportionell mot tillsatsen av klorid- och sulfatjoner56,57. Lee et al. fann att SO42- kan hindra korrosion, men främja utvecklingen av korrosionsgropar som redan har bildats58.
Enligt utvärderingsstandarden för jordkorrosivitet och testresultat var kloridjonhalten i varje jordprov i sluttningen över 100 mg/kg, vilket indikerar stark jordkorrosivitet. Sulfatjonhalten i både uppförs- och nedförsbackarna var över 200 mg/kg och under 500 mg/kg, och jorden var måttligt korroderad. Halten av sulfatjoner i mittsluttningen är lägre än 200 mg/kg, och jordkorrosionen är svag. När jordmediet innehåller en hög koncentration kommer den att delta i reaktionen och producera korrosionsskikt på metallelektrodens yta, vilket saktar ner korrosionsreaktionen. När koncentrationen ökar kan skiktet plötsligt brytas sönder, vilket kraftigt accelererar korrosionshastigheten; när koncentrationen fortsätter att öka täcker korrosionsskiktet metallelektrodens yta, och korrosionshastigheten visar en avtagande trend igen59. Studien fann att mängden i jorden var lägre och därför hade liten effekt på korrosionen.
Enligt tabell 4 visade korrelationen mellan lutning och jordanjoner att det fanns en signifikant positiv korrelation mellan lutning och kloridjoner (R2=0,836), och en signifikant positiv korrelation mellan lutning och totalt lösliga salter (R2=0,742).
Detta tyder på att ytavrinning och jorderosion kan vara ansvariga för förändringarna i totala lösliga salter i jorden. Det fanns en signifikant positiv korrelation mellan totala lösliga salter och kloridjoner, vilket kan bero på att totala lösliga salter är poolen av kloridjoner, och innehållet av totala lösliga salter bestämmer innehållet av kloridjoner i jordlösningar. Därför kan vi veta att skillnaden i lutning kan orsaka allvarlig korrosion av metallnätdelen.
Organiskt material, totalt kväve, tillgängligt kväve, tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium är jordens grundläggande näringsämnen, vilka påverkar jordens kvalitet och rotsystemets absorption av näringsämnen. Jordnäringsämnen är en viktig faktor som påverkar mikroorganismerna i jorden, så det är värt att studera om det finns ett samband mellan jordnäringsämnen och metallkorrosion. Suiyu-järnvägen färdigställdes 2003, vilket innebär att den konstgjorda jorden bara har upplevt 9 års ansamling av organiskt material. På grund av den konstgjorda jordens särdrag är det nödvändigt att ha en god förståelse för näringsämnena i konstgjord jord.
Forskningen visar att halten organiskt material är högst i naturlig sluttningsjord efter hela jordbildningsprocessen. Halten av organiskt material i lågsluttande jord var lägst. På grund av väder och ytavrinning ackumuleras marknäringsämnen i mittsluttningen och nedför sluttningen, vilket bildar ett tjockt humuslager. På grund av de små partiklarna och den dåliga stabiliteten i lågsluttande jord bryts organiskt material lätt ner av mikroorganismer. Undersökningen visade att vegetationens täckning och mångfald i mittsluttningen och nedför sluttningen var hög, men homogeniteten var låg, vilket kan leda till ojämn fördelning av ytnäringsämnen. Ett tjockt humuslager håller vatten och markorganismerna är aktiva. Allt detta påskyndar nedbrytningen av organiskt material i jorden.
Halten av alkalihydrolyserat kväve i järnvägarna uppför, mellan och nedför sluttningarna var högre än i den naturliga sluttningen, vilket indikerar att mineraliseringshastigheten för organiskt kväve i järnvägssluttningen var betydligt högre än i den naturliga sluttningen. Ju mindre partiklarna är, desto mer instabil jordstruktur, desto lättare är det för mikroorganismer att bryta ner det organiska materialet i aggregaten, och desto större är poolen av mineraliserat organiskt kväve60,61. I överensstämmelse med resultaten från 62-studien var halten av småpartikelaggregat i jorden i järnvägssluttningarna betydligt högre än i naturliga sluttningar. Därför måste lämpliga åtgärder vidtas för att öka halten av gödningsmedel, organiskt material och kväve i jorden i järnvägssluttningen och för att förbättra det hållbara utnyttjandet av jorden. Slöseriet med tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium orsakat av ytavrinning stod för 77,27 % till 99,79 % av den totala förlusten av järnvägssluttningen. Ytavrinning kan vara den främsta drivkraften för förlust av tillgängliga näringsämnen i sluttningsjordar63,64,65.
Som visas i tabell 4 fanns det en signifikant positiv korrelation mellan sluttningens läge och tillgängligt fosfor (R2=0,948), och korrelationen mellan sluttningens läge och tillgängligt kalium var densamma (R2=0,898). Det visar att sluttningens läge påverkar innehållet av tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium i jorden.
Lutning är en viktig faktor som påverkar jordens innehåll av organiskt material och kväveberikning66, och ju mindre lutningen är, desto större är anrikningshastigheten. För näringsberikning i jorden försvagades näringsförlusten, och effekten av sluttningens läge på jordens innehåll av organiskt material och total kväveberikning var inte uppenbar. Olika typer och antal växter på olika sluttningar har olika organiska syror som utsöndras av växtrötter. Organiska syror är fördelaktiga för fixeringen av tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium i jorden. Därför fanns det en signifikant korrelation mellan sluttningens läge och tillgängligt fosfor, och sluttningens läge och tillgängligt kalium.
För att klargöra sambandet mellan marknäringsämnen och markkorrosion är det nödvändigt att analysera korrelationen. Som visas i tabell 5 var redoxpotentialen signifikant negativt korrelerad med tillgängligt kväve (R2 = -0,845) och signifikant positivt korrelerad med tillgängligt fosfor (R2 = 0,842) och tillgängligt kalium (R2 = 0,980). Redoxpotentialen återspeglar redoxens kvalitet, som vanligtvis påverkas av vissa fysikaliska och kemiska egenskaper hos jorden, och påverkar sedan en rad egenskaper hos jorden. Därför är det en viktig faktor för att bestämma riktningen för marknäringsomvandlingen67. Olika redoxegenskaper kan resultera i olika tillstånd och tillgänglighet av näringsfaktorer. Därför har redoxpotentialen en signifikant korrelation med tillgängligt kväve, tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium.
Förutom metallegenskaper är korrosionspotentialen även relaterad till markens egenskaper. Korrosionspotentialen var signifikant negativt korrelerad med organiskt material, vilket indikerar att organiskt material hade en signifikant effekt på korrosionspotentialen. Dessutom var organiskt material också signifikant negativt korrelerat med potentiell gradient (SN) (R2 = -0,713) och sulfatjon (R2 = -0,671), vilket indikerar att innehållet av organiskt material också påverkar potentiell gradient (SN) och sulfatjon. Det fanns en signifikant negativ korrelation mellan markens pH och tillgängligt kalium (R2 = -0,728).
Tillgängligt kväve korrelerade signifikant negativt med totala lösliga salter och kloridjoner, och tillgängligt fosfor och tillgängligt kalium korrelerade signifikant positivt med totala lösliga salter och kloridjoner. Detta indikerade att tillgängligt näringsinnehåll signifikant påverkade mängden totala lösliga salter och kloridjoner i jorden, och anjoner i jorden var inte gynnsamma för ackumulering och tillförsel av tillgängliga näringsämnen. Totalt kväve korrelerade signifikant negativt med sulfatjoner och signifikant positivt med bikarbonat, vilket indikerar att totalt kväve hade en effekt på innehållet av sulfat och bikarbonat. Växter har liten efterfrågan på sulfatjoner och bikarbonatjoner, så de flesta av dem är fria i jorden eller absorberas av jordkolloider. Bikarbonatjoner gynnar ackumulering av kväve i jorden, och sulfatjoner minskar tillgängligheten av kväve i jorden. Därför är det fördelaktigt att öka innehållet av tillgängligt kväve och humus i jorden på lämpligt sätt för att minska jordens korrosivitet.
Jord är ett system med komplex sammansättning och egenskaper. Jordens korrosivitet är resultatet av den synergistiska verkan av många faktorer. Därför används generellt en omfattande utvärderingsmetod för att utvärdera jordens korrosivitet. Med hänvisning till "Code for Geotechnical Engineering Investigation" (GB50021-94) och testmetoderna från China Soil Corrosion Test Network kan jordkorrosionsgraden utvärderas omfattande enligt följande standarder: (1) Utvärderingen är svag korrosion, om endast svag korrosion finns det ingen måttlig korrosion eller stark korrosion; (2) om det inte finns någon stark korrosion utvärderas den som måttlig korrosion; (3) om det finns en eller två platser med stark korrosion utvärderas den som stark korrosion; (4) om det finns 3 eller fler platser med stark korrosion utvärderas den som stark korrosion för allvarlig korrosion.
Korrosionsgraden hos jordproverna i olika sluttningar utvärderades omfattande baserat på markresistivitet, redoxpotential, vattenhalt, salthalt, pH-värde samt Cl- och SO42-halt. Forskningsresultaten visar att jordarna i alla sluttningar är mycket korrosiva.
Korrosionspotentialen är en viktig faktor som påverkar korrosionen av sluttningsskyddsnät. Korrosionspotentialen för de tre sluttningarna är alla lägre än -200 mV, vilket har störst inverkan på korrosionen av metallnätet i uppförsbacken. Potentialgradienten kan användas för att bedöma magnituden av läckströmmar i jorden. Läckströmmar är en viktig faktor som påverkar korrosionen av metallnät i mellersta sluttningar och uppförsbackar, särskilt i mellersta sluttningar. Den totala lösliga salthalten i jordarna i de övre, mellersta och nedre sluttningarna var alla över 500 mg/kg, och korrosionseffekten på sluttningsskyddsnätet var måttlig. Markens vattenhalt är en viktig faktor som påverkar korrosionen av metallnät i mittsluttningar och nedförsbackar, och har en större inverkan på korrosionen av sluttningsskyddsnät. Näringsämnen är mest förekommande i jord i mittsluttningar, vilket indikerar att det finns frekvent mikrobiell aktivitet och snabb växttillväxt.
Forskningen visar att korrosionspotential, potentiell gradient, totalt lösligt saltinnehåll och vatteninnehåll är de viktigaste faktorerna som påverkar jordkorrosion på de tre sluttningarna, och jordkorrosionen bedöms som stark. Korrosionen i sluttningsskyddsnätet är allvarligast i mittsluttningen, vilket ger en referens för korrosionsskyddsdesignen av järnvägssluttningsskyddsnätet. Lämplig tillsats av tillgängligt kväve och organiskt gödselmedel är fördelaktigt för att minska jordkorrosion, underlätta växttillväxt och slutligen stabilisera sluttningen.
Hur man citerar den här artikeln: Chen, J. et al. Effekter av jordkomposition och elektrokemi på korrosionen av bergsläntnätverk längs en kinesisk järnvägslinje. science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Dynamiska egenskaper hos järnvägsundergrundens sluttningar under jordbävningsexcitation. naturkatastrof. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Analys av typiska jordbävningsskador på vägar i det jordbävningsdrabbade området Wenchuan i Sichuanprovinsen [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Seismisk skadeanalys och motåtgärder för motorvägsbroar i Wenchuan-jordbävningen. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC. Effekten av jordbävningen i Chichi på jordskred orsakade av efterföljande regn i centrala Taiwan. Engineering Geology. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Långsiktiga effekter av jordbävningsinducerade jordskred på sedimentproduktion i ett bergsavrinningsområde: Tanzawa-regionen, Japan. geomorphology. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. En översikt över forskning om seismisk stabilitetsanalys av geotekniska sluttningar. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Forskning om geologiska faror orsakade av Wenchuan-jordbävningen i Sichuan. Journal of Engineering Geology 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Sluttningsskydd med vegetation: rotmekanik hos vissa tropiska växter. International Journal of Physical Sciences. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Topografiska effekter på tropiska lågfjällskogar under olika geologiska förhållanden i Mount Kinabalu, Borneo. Plant Ecology. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al. Ideala egenskaper hos växtrötter för att skydda naturliga och anlagda sluttningar från jordskred. Plants and Soils, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Effekter av gräsrötter på matjordens eroderbarhet under koncentrerad flöde. Geomorphology 76, 54–67 (2006).