Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Lấy sườn dốc đường sắt Sui-Chongqing làm đối tượng nghiên cứu, điện trở suất của đất, điện hóa đất (điện thế ăn mòn, điện thế oxy hóa khử, độ dốc điện thế và pH), anion trong đất (tổng lượng muối hòa tan, Cl-, SO42- và) và dinh dưỡng của đất (độ ẩm, chất hữu cơ, tổng nitơ, nitơ thủy phân kiềm, phốt pho dễ hấp thụ, kali dễ hấp thụ) được đánh giá theo các chỉ số riêng lẻ và chỉ số tổng hợp của đất nhân tạo dưới các độ dốc khác nhau. So với các yếu tố khác, nước có ảnh hưởng lớn nhất đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc, tiếp theo là hàm lượng anion. Tổng lượng muối hòa tan có ảnh hưởng vừa phải đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc, và dòng điện lạc cũng có ảnh hưởng vừa phải đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Mức độ ăn mòn của các mẫu đất được đánh giá tổng hợp, và sự ăn mòn ở sườn dốc phía trên ở mức độ vừa phải, còn sự ăn mòn ở sườn dốc giữa và phía dưới ở mức độ mạnh. Chất hữu cơ trong đất có mối tương quan đáng kể với độ dốc điện thế. Nitơ dễ hấp thụ, kali dễ hấp thụ và phốt pho dễ hấp thụ có mối tương quan đáng kể với anion. Sự phân bố chất dinh dưỡng trong đất có liên quan gián tiếp đến... loại độ dốc.
Khi xây dựng đường sắt, đường cao tốc và các công trình thủy lợi, việc đào núi thường là không thể tránh khỏi. Do địa hình núi non hiểm trở ở phía tây nam Trung Quốc, việc xây dựng đường sắt đòi hỏi phải đào bới rất nhiều sườn núi. Điều này phá hủy lớp đất và thảm thực vật ban đầu, tạo ra những sườn dốc đá lộ thiên. Tình trạng này dẫn đến sạt lở đất và xói mòn đất, đe dọa an toàn giao thông đường sắt. Sạt lở đất gây ảnh hưởng xấu đến giao thông đường bộ, đặc biệt là sau trận động đất Vấn Xuyên ngày 12 tháng 5 năm 2008. Sạt lở đất đã trở thành một thảm họa động đất nghiêm trọng và lan rộng¹. Trong đợt đánh giá năm 2008 đối với 4.243 km đường trục chính ở tỉnh Tứ Xuyên, đã có 1.736 vụ tai nạn động đất nghiêm trọng xảy ra ở nền đường và tường chắn mái dốc, chiếm 39,76% tổng chiều dài đoạn đường được đánh giá. Thiệt hại kinh tế trực tiếp do hư hại đường sá vượt quá 58 tỷ nhân dân tệ 2,3. Các ví dụ trên toàn cầu cho thấy các tai biến địa chất sau động đất có thể kéo dài ít nhất 10 năm (động đất Đài Loan) và thậm chí lên đến 40-50 năm (động đất Kanto ở Nhật Bản)4,5. Độ dốc là yếu tố chính ảnh hưởng đến nguy cơ động đất6,7. Do đó, cần phải duy trì độ dốc đường và tăng cường sự ổn định của nó. Thực vật đóng vai trò không thể thiếu trong việc bảo vệ mái dốc và phục hồi cảnh quan sinh thái8. So với mái dốc đất thông thường, mái dốc đá không có sự tích tụ các yếu tố dinh dưỡng như chất hữu cơ, nitơ, phốt pho và kali, và không có môi trường đất cần thiết cho sự phát triển của thảm thực vật. Do các yếu tố như độ dốc lớn và xói mòn do mưa, đất mái dốc dễ bị mất đi. Môi trường mái dốc Địa hình khắc nghiệt, thiếu các điều kiện cần thiết cho sự phát triển của thực vật, và đất dốc thiếu độ ổn định nâng đỡ9. Phun vật liệu nền lên đất để bảo vệ sườn dốc là một công nghệ phục hồi sinh thái sườn dốc thường được sử dụng ở nước ta. Đất nhân tạo dùng để phun bao gồm đá dăm, đất nông nghiệp, rơm, phân bón phức hợp, chất giữ nước và chất kết dính (các chất kết dính thường dùng bao gồm xi măng Portland, keo hữu cơ và chất nhũ hóa nhựa đường) theo một tỷ lệ nhất định. Quy trình kỹ thuật như sau: đầu tiên đặt dây thép gai trên đá, sau đó cố định dây thép gai bằng đinh tán và bu lông neo, cuối cùng phun đất nhân tạo có chứa hạt giống lên sườn dốc bằng máy phun chuyên dụng. Lưới kim loại hình thoi số 14 được mạ kẽm hoàn toàn thường được sử dụng, với tiêu chuẩn mắt lưới là 5cm×5cm và đường kính 2mm. Lưới kim loại cho phép ma trận đất tạo thành một tấm liền khối bền vững trên bề mặt đá. Lưới kim loại sẽ bị ăn mòn trong đất, vì bản thân đất là chất điện phân, và mức độ ăn mòn phụ thuộc vào đặc tính của đất. Việc đánh giá các yếu tố ăn mòn đất có ý nghĩa rất quan trọng. Để đánh giá sự xói mòn lưới kim loại do đất gây ra và loại bỏ nguy cơ sạt lở đất.
Rễ cây được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định sườn dốc và kiểm soát xói mòn10,11,12,13,14. Để ổn định sườn dốc chống lại sạt lở đất nông, có thể sử dụng thảm thực vật vì rễ cây có thể cố định đất để ngăn ngừa sạt lở15,16,17. Thảm thực vật thân gỗ, đặc biệt là cây cối, giúp ngăn ngừa sạt lở đất nông18. Một cấu trúc bảo vệ vững chắc được hình thành bởi hệ thống rễ thẳng đứng và ngang của thực vật hoạt động như cọc gia cố trong đất. Sự phát triển của các mô hình kiến ​​trúc rễ được thúc đẩy bởi gen, và môi trường đất đóng vai trò quyết định trong các quá trình này. Sự ăn mòn kim loại thay đổi tùy thuộc vào môi trường đất20. Mức độ ăn mòn kim loại trong đất có thể dao động từ hòa tan khá nhanh đến tác động không đáng kể21. Đất nhân tạo rất khác với “đất” thật. Sự hình thành đất tự nhiên là kết quả của sự tương tác giữa môi trường bên ngoài và các sinh vật khác nhau trong hàng chục triệu năm22,23,24. Trước khi thảm thực vật thân gỗ hình thành hệ thống rễ và hệ sinh thái ổn định, liệu lưới kim loại kết hợp với sườn dốc đá và đất nhân tạo có thể hoạt động an toàn hay không liên quan trực tiếp đến sự phát triển của hệ sinh thái tự nhiên. nền kinh tế, sự an toàn của cuộc sống và sự cải thiện môi trường sinh thái.
Tuy nhiên, sự ăn mòn kim loại có thể dẫn đến tổn thất rất lớn. Theo một cuộc khảo sát được thực hiện tại Trung Quốc vào đầu những năm 1980 về máy móc hóa chất và các ngành công nghiệp khác, tổn thất do ăn mòn kim loại chiếm 4% tổng giá trị sản lượng. Do đó, việc nghiên cứu cơ chế ăn mòn và áp dụng các biện pháp bảo vệ có ý nghĩa rất quan trọng đối với công trình xây dựng kinh tế. Đất là một hệ thống phức tạp gồm khí, chất lỏng, chất rắn và vi sinh vật. Các chất chuyển hóa của vi sinh vật có thể ăn mòn vật liệu, và dòng điện lạc cũng có thể gây ăn mòn. Vì vậy, việc ngăn ngừa ăn mòn kim loại chôn trong đất là rất quan trọng. Hiện nay, nghiên cứu về ăn mòn kim loại chôn trong đất chủ yếu tập trung vào (1) các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại chôn trong đất25; (2) các phương pháp bảo vệ kim loại26,27; (3) các phương pháp đánh giá mức độ ăn mòn kim loại28; Ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Tuy nhiên, tất cả các loại đất trong nghiên cứu đều là đất tự nhiên và đã trải qua các quá trình hình thành đất đầy đủ. Tuy nhiên, chưa có báo cáo nào về xói mòn đất nhân tạo trên các sườn dốc đá đường sắt.
So với các môi trường ăn mòn khác, đất nhân tạo có đặc điểm là không chảy, không đồng nhất, theo mùa và theo vùng. Sự ăn mòn kim loại trong đất nhân tạo là do tương tác điện hóa giữa kim loại và đất nhân tạo. Bên cạnh các yếu tố nội tại, tốc độ ăn mòn kim loại cũng phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn kim loại một cách riêng lẻ hoặc kết hợp, chẳng hạn như độ ẩm, hàm lượng oxy, tổng hàm lượng muối hòa tan, hàm lượng anion và ion kim loại, độ pH, vi sinh vật trong đất30,31,32.
Trong 30 năm thực hành, vấn đề làm thế nào để bảo tồn vĩnh viễn đất nhân tạo trên sườn dốc đá vẫn là một vấn đề nan giải33. Cây bụi hoặc cây thân gỗ không thể phát triển trên một số sườn dốc sau 10 năm chăm sóc thủ công do xói mòn đất. Bụi bẩn trên bề mặt lưới kim loại bị cuốn trôi ở một số nơi. Do ăn mòn, một số lưới kim loại bị nứt và mất hết đất phía trên và phía dưới (Hình 1). Hiện nay, nghiên cứu về ăn mòn sườn dốc đường sắt chủ yếu tập trung vào ăn mòn lưới tiếp đất của trạm biến áp đường sắt, ăn mòn dòng điện lạc do đường sắt nhẹ tạo ra và ăn mòn cầu đường sắt34,35, đường ray và các thiết bị xe khác36. Chưa có báo cáo nào về ăn mòn lưới kim loại bảo vệ sườn dốc đường sắt. Bài báo này nghiên cứu các đặc tính vật lý, hóa học và điện hóa của đất nhân tạo trên sườn dốc đá phía tây nam của Đường sắt Suiyu, nhằm mục đích dự đoán ăn mòn kim loại bằng cách đánh giá các đặc tính của đất và cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc phục hồi hệ sinh thái đất và phục hồi nhân tạo.
Địa điểm thử nghiệm nằm ở vùng đồi núi Tứ Xuyên (30°32′Bắc, 105°32′E) gần ga tàu Suining. Khu vực này nằm ở giữa lưu vực Tứ Xuyên, có núi và đồi thấp, cấu trúc địa chất đơn giản và địa hình bằng phẳng. Sự xói mòn, bào mòn và tích tụ nước tạo nên cảnh quan đồi núi bị xói mòn. Đá gốc chủ yếu là đá vôi, lớp phủ chủ yếu là cát tím và đá bùn. Độ bền kém, đá có cấu trúc khối. Khu vực nghiên cứu có khí hậu gió mùa ẩm cận nhiệt đới với đặc điểm mùa vụ là đầu xuân, hè nóng, thu ngắn và đông muộn. Lượng mưa dồi dào, nguồn ánh sáng và nhiệt dồi dào, thời gian không có sương giá dài (trung bình 285 ngày), khí hậu ôn hòa, nhiệt độ trung bình hàng năm là 17,4°C, nhiệt độ trung bình của tháng nóng nhất (tháng 8) là 27,2°C, và nhiệt độ tối đa là 39,3°C. Tháng lạnh nhất là tháng 1 (nhiệt độ trung bình là...) Nhiệt độ trung bình hàng năm là 6,5°C, nhiệt độ thấp nhất là -3,8°C, và lượng mưa trung bình hàng năm là 920 mm, chủ yếu tập trung vào tháng 7 và tháng 8. Lượng mưa vào mùa xuân, hè, thu và đông rất khác nhau. Tỷ lệ lượng mưa trong mỗi mùa trong năm lần lượt là 19-21%, 51-54%, 22-24% và 4-5%.
Địa điểm nghiên cứu nằm trên một sườn dốc khoảng 45° thuộc tuyến đường sắt Yu-Sui được xây dựng năm 2003. Vào tháng 4 năm 2012, vị trí nghiên cứu hướng về phía nam, cách ga tàu Suining khoảng 1 km. Độ dốc tự nhiên được sử dụng làm đối chứng. Việc phục hồi sinh thái độ dốc áp dụng công nghệ phun đất phủ bề mặt của nước ngoài. Theo chiều cao của độ dốc sườn đường sắt, độ dốc có thể được chia thành dốc lên, dốc giữa và dốc xuống (Hình 2). Vì độ dày của lớp đất nhân tạo trên sườn dốc cắt khoảng 10cm, để tránh ô nhiễm do sản phẩm ăn mòn của lưới kim loại trong đất, chúng tôi chỉ sử dụng xẻng thép không gỉ để lấy lớp đất mặt 0-8cm. Bốn mẫu được thiết lập cho mỗi vị trí sườn dốc, với 15-20 điểm lấy mẫu ngẫu nhiên trên mỗi mẫu. Mỗi mẫu là hỗn hợp của 15-20 điểm lấy mẫu ngẫu nhiên được xác định từ đường lấy mẫu hình chữ S. Trọng lượng tươi của mẫu khoảng 500 gram. Mang các mẫu về phòng thí nghiệm trong túi zip polyethylene để xử lý. Đất được phơi khô tự nhiên, sỏi và tàn dư động thực vật được nhặt bỏ, nghiền nát bằng que mã não và sàng lọc bằng sàng nylon 20-mesh, 100-mesh ngoại trừ... Các hạt thô.
Điện trở suất của đất được đo bằng máy đo điện trở nối đất VICTOR4106 do Công ty Shengli Instrument sản xuất; điện trở suất của đất được đo tại hiện trường; độ ẩm của đất được đo bằng phương pháp sấy khô. Máy đo mv/pH kỹ thuật số cầm tay DMP-2 có trở kháng đầu vào cao để đo điện thế ăn mòn của đất. Độ dốc điện thế và điện thế oxy hóa khử được xác định bằng máy đo mv/pH kỹ thuật số cầm tay DMP-2, tổng lượng muối hòa tan trong đất được xác định bằng phương pháp sấy khô cặn, hàm lượng ion clorua trong đất được xác định bằng phương pháp chuẩn độ AgNO3 (phương pháp Mohr), hàm lượng sulfat trong đất được xác định bằng phương pháp chuẩn độ EDTA gián tiếp, phương pháp chuẩn độ chỉ thị kép để xác định cacbonat và bicacbonat trong đất, phương pháp gia nhiệt oxy hóa kali dicromat để xác định chất hữu cơ trong đất, phương pháp khuếch tán dung dịch kiềm để xác định nitơ thủy phân kiềm trong đất, phương pháp đo màu Mo-Sb bằng phương pháp phân hủy H2SO4-HClO4. Tổng lượng phốt pho trong đất và hàm lượng phốt pho dễ hấp thụ trong đất được xác định bằng phương pháp Olsen (dung dịch NaHCO3 0,05 mol/L làm chất chiết xuất), và tổng hàm lượng kali trong đất được xác định bằng phương pháp đo quang phổ ngọn lửa natri hydroxit.
Dữ liệu thực nghiệm ban đầu được hệ thống hóa. Phần mềm SPSS Statistics 20 được sử dụng để thực hiện phân tích trung bình, độ lệch chuẩn, phân tích phương sai một chiều (ANOVA) và phân tích tương quan thủ công.
Bảng 1 trình bày các đặc tính điện cơ, anion và chất dinh dưỡng của đất có độ dốc khác nhau. Điện thế ăn mòn, điện trở suất của đất và độ dốc điện thế theo hướng đông-tây của các độ dốc khác nhau đều có ý nghĩa thống kê (P < 0,05). Điện thế oxy hóa khử của sườn dốc xuống, sườn dốc trung bình và sườn dốc tự nhiên đều có ý nghĩa thống kê (P < 0,05). Độ dốc điện thế vuông góc với đường ray, tức là độ dốc điện thế theo hướng bắc-nam, là sườn dốc lên > sườn dốc xuống > sườn dốc trung bình. Giá trị pH của đất theo thứ tự là sườn dốc xuống > sườn dốc lên > sườn dốc trung bình > sườn dốc tự nhiên. Tổng lượng muối hòa tan ở sườn dốc tự nhiên cao hơn đáng kể so với sườn dốc đường sắt (P < 0,05). Hàm lượng tổng muối hòa tan trong đất sườn dốc đường sắt cấp ba trên 500 mg/kg, và tổng muối hòa tan có ảnh hưởng vừa phải đến sự ăn mòn kim loại. Hàm lượng chất hữu cơ trong đất cao nhất ở sườn dốc tự nhiên và thấp nhất ở sườn dốc xuống (P < 0,05). Tổng hàm lượng nitơ cao nhất ở sườn dốc trung bình và thấp nhất ở sườn dốc lên; Hàm lượng nitơ dễ hấp thụ cao nhất ở sườn dốc xuống và sườn dốc giữa, và thấp nhất ở sườn dốc tự nhiên; tổng hàm lượng nitơ ở sườn dốc lên và xuống của đường sắt thấp hơn, nhưng hàm lượng nitơ dễ hấp thụ lại cao hơn. Điều này cho thấy tốc độ khoáng hóa nitơ hữu cơ ở sườn dốc lên và xuống diễn ra nhanh. Hàm lượng kali dễ hấp thụ tương đương với hàm lượng phốt pho dễ hấp thụ.
Điện trở suất của đất là một chỉ số biểu thị độ dẫn điện và là một thông số cơ bản để đánh giá sự ăn mòn của đất. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất bao gồm độ ẩm, tổng hàm lượng muối hòa tan, độ pH, kết cấu đất, nhiệt độ, hàm lượng chất hữu cơ, nhiệt độ đất và độ chặt. Nói chung, đất có điện trở suất thấp sẽ dễ bị ăn mòn hơn, và ngược lại. Sử dụng điện trở suất để đánh giá mức độ ăn mòn của đất là một phương pháp thường được sử dụng ở nhiều quốc gia. Bảng 1 trình bày các tiêu chí đánh giá mức độ ăn mòn cho từng chỉ số riêng lẻ37,38.
Theo kết quả thử nghiệm và tiêu chuẩn ở nước tôi (Bảng 1), nếu chỉ đánh giá độ ăn mòn của đất bằng điện trở suất, thì đất ở sườn dốc lên có độ ăn mòn cao; đất ở sườn dốc xuống có độ ăn mòn trung bình; độ ăn mòn của đất ở sườn dốc trung bình và sườn dốc tự nhiên tương đối thấp và yếu.
Điện trở suất của đất ở sườn dốc phía trên thấp hơn đáng kể so với các phần khác của sườn dốc, điều này có thể do xói mòn do mưa gây ra. Lớp đất mặt ở sườn dốc phía trên bị nước cuốn trôi xuống sườn giữa, khiến lưới bảo vệ mái dốc bằng kim loại ở sườn dốc phía trên nằm sát với lớp đất mặt. Một số mắt lưới kim loại bị lộ ra ngoài và thậm chí lơ lửng trong không khí (Hình 1). Điện trở suất của đất được đo tại chỗ; khoảng cách giữa các cọc là 3m; độ sâu đóng cọc dưới 15cm. Lưới kim loại trần và lớp gỉ bong tróc có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Do đó, việc đánh giá độ ăn mòn của đất chỉ dựa trên chỉ số điện trở suất của đất là không đáng tin cậy. Trong đánh giá toàn diện về ăn mòn, điện trở suất của đất ở sườn dốc phía trên không được xem xét.
Do độ ẩm tương đối cao, không khí ẩm quanh năm ở khu vực Tứ Xuyên khiến lưới kim loại tiếp xúc với không khí bị ăn mòn nghiêm trọng hơn so với lưới kim loại chôn trong đất39. Việc lưới thép tiếp xúc với không khí có thể làm giảm tuổi thọ, gây mất ổn định đất trên sườn dốc. Sự xói mòn đất có thể gây khó khăn cho sự phát triển của thực vật, đặc biệt là cây thân gỗ. Do thiếu cây thân gỗ, khó hình thành hệ rễ trên sườn dốc để làm chắc đất. Đồng thời, sự phát triển của thực vật cũng có thể cải thiện chất lượng đất và tăng hàm lượng mùn trong đất, không chỉ giữ nước mà còn cung cấp môi trường tốt cho sự sinh trưởng và sinh sản của động thực vật, từ đó giảm xói mòn đất. Vì vậy, trong giai đoạn đầu xây dựng, nên gieo nhiều hạt giống cây thân gỗ hơn ở sườn dốc, và nên liên tục bổ sung chất giữ nước và phủ màng bảo vệ để giảm xói mòn đất sườn dốc do nước mưa.
Điện thế ăn mòn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc trên mái dốc ba cấp, và có tác động lớn nhất trên mái dốc lên (Bảng 2). Trong điều kiện bình thường, điện thế ăn mòn không thay đổi nhiều trong một môi trường nhất định. Sự thay đổi đáng kể có thể do dòng điện rò rỉ gây ra. Dòng điện rò rỉ là các dòng điện 40, 41, 42 rò rỉ vào nền đường và môi trường đất khi các phương tiện sử dụng hệ thống giao thông công cộng. Với sự phát triển của hệ thống giao thông, hệ thống đường sắt của nước ta đã được điện khí hóa quy mô lớn, và sự ăn mòn kim loại chôn ngầm do rò rỉ dòng điện một chiều từ đường sắt điện khí hóa không thể bỏ qua. Hiện nay, có thể sử dụng độ dốc điện thế của đất để xác định xem đất có chứa nhiễu dòng điện rò rỉ hay không. Khi độ dốc điện thế của đất bề mặt thấp hơn 0,5 mV/m, dòng điện rò rỉ thấp; khi độ dốc điện thế nằm trong khoảng từ 0,5 mV/m đến 5,0 mV/m, dòng điện rò rỉ ở mức trung bình; Khi độ chênh lệch điện thế lớn hơn 5,0 mV/m, dòng điện rò rỉ sẽ cao. Phạm vi dao động của độ chênh lệch điện thế (EW) ở giữa sườn dốc, sườn dốc lên và sườn dốc xuống được thể hiện trong Hình 3. Xét về phạm vi dao động, có dòng điện rò rỉ vừa phải theo hướng đông-tây và bắc-nam ở giữa sườn dốc. Do đó, dòng điện rò rỉ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại ở giữa sườn dốc và sườn dốc xuống, đặc biệt là ở giữa sườn dốc.
Nhìn chung, thế năng oxy hóa khử của đất (Eh) trên 400 mV cho thấy khả năng oxy hóa, trên 0-200 mV là khả năng khử trung bình, và dưới 0 mV là khả năng khử mạnh. Thế năng oxy hóa khử của đất càng thấp, khả năng ăn mòn kim loại của vi sinh vật trong đất càng lớn44. Có thể dự đoán xu hướng ăn mòn của vi sinh vật trong đất từ ​​thế năng oxy hóa khử. Nghiên cứu cho thấy thế năng oxy hóa khử của đất ở ba sườn dốc đều lớn hơn 500 mV, và mức độ ăn mòn rất nhỏ. Điều này cho thấy điều kiện thông gió của đất dốc tốt, không thuận lợi cho sự ăn mòn của vi sinh vật kỵ khí trong đất.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tác động của độ pH đất lên sự xói mòn đất là rõ rệt. Với sự biến động của giá trị pH, tốc độ ăn mòn của vật liệu kim loại bị ảnh hưởng đáng kể. Độ pH của đất có liên quan chặt chẽ đến khu vực và các vi sinh vật trong đất45,46,47. Nói chung, tác động của độ pH đất lên sự ăn mòn của vật liệu kim loại trong đất hơi kiềm không rõ rệt. Đất của ba sườn dốc đường sắt đều có tính kiềm, do đó tác động của pH lên sự ăn mòn của lưới kim loại là yếu.
Như có thể thấy từ Bảng 3, phân tích tương quan cho thấy thế oxy hóa khử và vị trí độ dốc có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,858), thế ăn mòn và độ dốc thế (SN) có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,755), và thế oxy hóa khử và độ dốc thế (SN) có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,755). Có mối tương quan nghịch đáng kể giữa điện thế và pH (R2 = -0,724). Vị trí sườn dốc có mối tương quan thuận đáng kể với điện thế oxy hóa khử. Điều này cho thấy có sự khác biệt về môi trường vi mô ở các vị trí sườn dốc khác nhau, và vi sinh vật đất có liên quan chặt chẽ đến điện thế oxy hóa khử48, 49, 50. Điện thế oxy hóa khử có mối tương quan nghịch đáng kể với pH51,52. Mối quan hệ này cho thấy pH và giá trị Eh không phải lúc nào cũng thay đổi đồng bộ trong quá trình oxy hóa khử của đất, mà có mối quan hệ tuyến tính nghịch. Điện thế ăn mòn kim loại có thể biểu thị khả năng tương đối thu và mất electron. Mặc dù điện thế ăn mòn có mối tương quan thuận đáng kể với độ dốc điện thế (SN), nhưng độ dốc điện thế có thể do kim loại dễ dàng mất electron gây ra.
Tổng hàm lượng muối hòa tan trong đất có liên quan mật thiết đến tính ăn mòn của đất. Nói chung, độ mặn của đất càng cao thì điện trở suất của đất càng thấp, do đó làm tăng sức kháng của đất. Trong chất điện giải của đất, không chỉ có các anion và các phạm vi khác nhau mà các tác nhân gây ăn mòn chủ yếu là cacbonat, clorua và sulfat. Ngoài ra, tổng hàm lượng muối hòa tan trong đất ảnh hưởng gián tiếp đến sự ăn mòn thông qua ảnh hưởng của các yếu tố khác, chẳng hạn như ảnh hưởng của điện thế điện cực trong kim loại và độ hòa tan oxy trong đất53.
Hầu hết các ion muối hòa tan trong đất không trực tiếp tham gia vào các phản ứng điện hóa, mà ảnh hưởng đến sự ăn mòn kim loại thông qua điện trở suất của đất. Độ mặn của đất càng cao, độ dẫn điện của đất càng mạnh và sự xói mòn đất càng mạnh. Hàm lượng muối trong đất của các sườn dốc tự nhiên cao hơn đáng kể so với các sườn dốc đường sắt, điều này có thể là do các sườn dốc tự nhiên giàu thảm thực vật, có lợi cho việc bảo tồn đất và nước. Một lý do khác có thể là sườn dốc tự nhiên đã trải qua quá trình hình thành đất hoàn chỉnh (vật liệu gốc của đất được hình thành do sự phong hóa đá), trong khi đất sườn dốc đường sắt được cấu tạo từ các mảnh đá vụn làm chất nền của "đất nhân tạo" và chưa trải qua quá trình hình thành đất đầy đủ. Khoáng chất không được giải phóng. Ngoài ra, các ion muối trong đất sâu của sườn dốc tự nhiên đã bốc hơi trên bề mặt thông qua hiện tượng mao dẫn và tích tụ trong đất mặt, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng ion muối trong đất mặt. Độ dày của đất sườn dốc đường sắt nhỏ hơn 20 cm, dẫn đến việc lớp đất mặt không thể bổ sung muối từ đất sâu.
Các ion dương (như K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, v.v.) có ít ảnh hưởng đến sự ăn mòn đất, trong khi các anion đóng vai trò quan trọng trong quá trình điện hóa của sự ăn mòn và có tác động đáng kể đến sự ăn mòn kim loại. Cl− có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn anot và là anion ăn mòn mạnh nhất; hàm lượng Cl− càng cao thì sự ăn mòn đất càng mạnh. SO42− không chỉ thúc đẩy sự ăn mòn thép mà còn gây ăn mòn một số vật liệu bê tông54. Nó cũng ăn mòn sắt. Trong một loạt các thí nghiệm về đất chua, tốc độ ăn mòn được phát hiện tỷ lệ thuận với độ chua của đất55. Clorua và sulfat là các thành phần chính của muối hòa tan, có thể trực tiếp đẩy nhanh quá trình xâm thực kim loại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự mất khối lượng do ăn mòn của thép cacbon trong đất kiềm gần như tỷ lệ thuận với việc bổ sung các ion clorua và sulfat56,57. Lee và cộng sự phát hiện ra rằng SO42- có thể cản trở sự ăn mòn, nhưng lại thúc đẩy sự phát triển của các vết rỗ ăn mòn đã hình thành58.
Theo tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn của đất và kết quả thử nghiệm, hàm lượng ion clorua trong mỗi mẫu đất sườn dốc đều trên 100 mg/kg, cho thấy độ ăn mòn của đất mạnh. Hàm lượng ion sunfat ở cả sườn dốc lên và xuống đều trên 200 mg/kg và dưới 500 mg/kg, cho thấy đất bị ăn mòn ở mức độ vừa phải. Hàm lượng ion sunfat ở sườn dốc giữa thấp hơn 200 mg/kg, và độ ăn mòn của đất yếu. Khi môi trường đất chứa nồng độ cao, nó sẽ tham gia vào phản ứng và tạo ra lớp vảy ăn mòn trên bề mặt điện cực kim loại, do đó làm chậm phản ứng ăn mòn. Khi nồng độ tăng lên, lớp vảy có thể bị vỡ đột ngột, do đó làm tăng tốc độ ăn mòn đáng kể; khi nồng độ tiếp tục tăng, lớp vảy ăn mòn bao phủ bề mặt điện cực kim loại, và tốc độ ăn mòn lại có xu hướng chậm lại. Nghiên cứu cho thấy lượng trong đất thấp hơn và do đó ít ảnh hưởng đến sự ăn mòn.
Theo Bảng 4, mối tương quan giữa độ dốc và anion trong đất cho thấy có mối tương quan dương đáng kể giữa độ dốc và ion clorua (R2=0,836), và mối tương quan dương đáng kể giữa độ dốc và tổng lượng muối hòa tan (R2=0,742).
Điều này cho thấy dòng chảy bề mặt và xói mòn đất có thể là nguyên nhân gây ra sự thay đổi tổng lượng muối hòa tan trong đất. Có mối tương quan dương đáng kể giữa tổng lượng muối hòa tan và ion clorua, có thể là do tổng lượng muối hòa tan là nguồn dự trữ ion clorua, và hàm lượng tổng lượng muối hòa tan quyết định hàm lượng ion clorua trong dung dịch đất. Do đó, chúng ta có thể biết rằng sự khác biệt về độ dốc có thể gây ra sự ăn mòn nghiêm trọng đối với phần lưới kim loại.
Chất hữu cơ, nitơ tổng cộng, nitơ dễ hấp thụ, phốt pho dễ hấp thụ và kali dễ hấp thụ là các chất dinh dưỡng cơ bản của đất, ảnh hưởng đến chất lượng đất và khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của hệ rễ. Chất dinh dưỡng trong đất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vi sinh vật trong đất, vì vậy việc nghiên cứu xem có mối tương quan nào giữa chất dinh dưỡng trong đất và sự ăn mòn kim loại hay không là rất đáng quan tâm. Tuyến đường sắt Suiyu được hoàn thành vào năm 2003, điều đó có nghĩa là đất nhân tạo chỉ mới trải qua 9 năm tích lũy chất hữu cơ. Do tính chất đặc thù của đất nhân tạo, việc hiểu rõ về các chất dinh dưỡng trong đất nhân tạo là rất cần thiết.
Nghiên cứu cho thấy hàm lượng chất hữu cơ cao nhất ở đất sườn dốc tự nhiên sau toàn bộ quá trình hình thành đất. Hàm lượng chất hữu cơ trong đất sườn thấp thấp nhất. Do ảnh hưởng của quá trình phong hóa và dòng chảy bề mặt, các chất dinh dưỡng trong đất sẽ tích tụ ở giữa và dưới sườn dốc, tạo thành một lớp mùn dày. Tuy nhiên, do kích thước hạt nhỏ và độ ổn định kém của đất sườn thấp, chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật. Khảo sát cho thấy độ che phủ và đa dạng thực vật ở giữa và dưới sườn dốc cao, nhưng tính đồng nhất thấp, điều này có thể dẫn đến sự phân bố không đồng đều các chất dinh dưỡng trên bề mặt. Lớp mùn dày giữ nước và các sinh vật trong đất hoạt động mạnh. Tất cả những điều này đẩy nhanh quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất.
Hàm lượng nitơ thủy phân kiềm của các đường ray ở sườn dốc lên, sườn dốc giữa và sườn dốc xuống cao hơn so với sườn dốc tự nhiên, cho thấy tốc độ khoáng hóa nitơ hữu cơ của sườn dốc đường sắt cao hơn đáng kể so với sườn dốc tự nhiên. Các hạt càng nhỏ, cấu trúc đất càng không ổn định, vi sinh vật càng dễ phân hủy chất hữu cơ trong các khối kết tụ, và lượng nitơ hữu cơ được khoáng hóa càng lớn60,61. Phù hợp với kết quả nghiên cứu 62, hàm lượng các khối kết tụ hạt nhỏ trong đất của sườn dốc đường sắt cao hơn đáng kể so với sườn dốc tự nhiên. Do đó, cần phải có các biện pháp thích hợp để tăng hàm lượng phân bón, chất hữu cơ và nitơ trong đất của sườn dốc đường sắt, và để cải thiện việc sử dụng đất bền vững. Sự lãng phí phốt pho và kali dễ hấp thụ do dòng chảy bề mặt chiếm từ 77,27% đến 99,79% tổng lượng mất mát của sườn dốc đường sắt. Dòng chảy bề mặt có thể là nguyên nhân chính gây mất chất dinh dưỡng dễ hấp thụ trong đất sườn dốc63,64,65.
Như thể hiện trong Bảng 4, có mối tương quan dương đáng kể giữa vị trí sườn dốc và hàm lượng phốt pho dễ hấp thụ (R2=0,948), và mối tương quan giữa vị trí sườn dốc và hàm lượng kali dễ hấp thụ cũng tương tự (R2=0,898). Điều này cho thấy vị trí sườn dốc ảnh hưởng đến hàm lượng phốt pho và kali dễ hấp thụ trong đất.
Độ dốc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất và sự làm giàu nitơ66, và độ dốc càng nhỏ thì tỷ lệ làm giàu càng lớn. Đối với sự làm giàu chất dinh dưỡng trong đất, sự mất chất dinh dưỡng bị suy yếu, và ảnh hưởng của vị trí sườn dốc đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất và sự làm giàu nitơ tổng thể không rõ ràng. Các loại và số lượng thực vật khác nhau trên các sườn dốc khác nhau có các axit hữu cơ khác nhau được rễ cây tiết ra. Axit hữu cơ có lợi cho việc cố định phốt pho và kali dễ hấp thụ trong đất. Do đó, có mối tương quan đáng kể giữa vị trí sườn dốc và phốt pho dễ hấp thụ, và vị trí sườn dốc và kali dễ hấp thụ.
Để làm rõ mối quan hệ giữa chất dinh dưỡng trong đất và sự xói mòn đất, cần phải phân tích mối tương quan. Như thể hiện trong Bảng 5, thế năng oxy hóa khử có tương quan nghịch đáng kể với nitơ dễ hấp thụ (R2 = -0,845) và tương quan thuận đáng kể với phốt pho dễ hấp thụ (R2 = 0,842) và kali dễ hấp thụ (R2 = 0,980). Thế năng oxy hóa khử phản ánh chất lượng oxy hóa khử, thường bị ảnh hưởng bởi một số tính chất vật lý và hóa học của đất, và sau đó ảnh hưởng đến một loạt các tính chất của đất. Do đó, nó là một yếu tố quan trọng trong việc xác định hướng chuyển hóa chất dinh dưỡng trong đất67. Chất lượng oxy hóa khử khác nhau có thể dẫn đến các trạng thái và khả năng hấp thụ khác nhau của các yếu tố dinh dưỡng. Vì vậy, thế năng oxy hóa khử có mối tương quan đáng kể với nitơ dễ hấp thụ, phốt pho dễ hấp thụ và kali dễ hấp thụ.
Ngoài các đặc tính của kim loại, điện thế ăn mòn còn liên quan đến các đặc tính của đất. Điện thế ăn mòn có tương quan nghịch đáng kể với chất hữu cơ, cho thấy chất hữu cơ có ảnh hưởng đáng kể đến điện thế ăn mòn. Thêm vào đó, chất hữu cơ cũng có tương quan nghịch đáng kể với độ dốc điện thế (SN) (R2=-0,713) và ion sunfat (R2=-0,671), cho thấy hàm lượng chất hữu cơ cũng ảnh hưởng đến độ dốc điện thế (SN) và ion sunfat. Có mối tương quan nghịch đáng kể giữa độ pH của đất và kali dễ hấp thụ (R2 = -0,728).
Lượng nitơ dễ hấp thụ có tương quan nghịch đáng kể với tổng lượng muối hòa tan và ion clorua, trong khi lượng phốt pho dễ hấp thụ và kali dễ hấp thụ có tương quan thuận đáng kể với tổng lượng muối hòa tan và ion clorua. Điều này cho thấy hàm lượng chất dinh dưỡng dễ hấp thụ ảnh hưởng đáng kể đến lượng tổng lượng muối hòa tan và ion clorua trong đất, và các anion trong đất không thuận lợi cho sự tích lũy và cung cấp chất dinh dưỡng dễ hấp thụ. Tổng lượng nitơ có tương quan nghịch đáng kể với ion sunfat, và tương quan thuận đáng kể với bicacbonat, cho thấy tổng lượng nitơ có ảnh hưởng đến hàm lượng sunfat và bicacbonat. Thực vật có nhu cầu rất ít về ion sunfat và bicacbonat, vì vậy hầu hết chúng tồn tại tự do trong đất hoặc được hấp thụ bởi các chất keo trong đất. Ion bicacbonat thúc đẩy sự tích lũy nitơ trong đất, và ion sunfat làm giảm khả năng hấp thụ nitơ trong đất. Do đó, việc tăng hàm lượng nitơ dễ hấp thụ và mùn trong đất một cách thích hợp có lợi cho việc giảm tính ăn mòn của đất.
Đất là một hệ thống có thành phần và tính chất phức tạp. Tính ăn mòn của đất là kết quả của sự tác động tổng hợp của nhiều yếu tố. Do đó, phương pháp đánh giá toàn diện thường được sử dụng để đánh giá tính ăn mòn của đất. Tham khảo “Quy chuẩn khảo sát kỹ thuật địa chất” (GB50021-94) và các phương pháp thử nghiệm của Mạng lưới thử nghiệm ăn mòn đất Trung Quốc, mức độ ăn mòn của đất có thể được đánh giá toàn diện theo các tiêu chuẩn sau: (1) Đánh giá là ăn mòn yếu nếu chỉ có ăn mòn yếu, không có ăn mòn trung bình hoặc ăn mòn mạnh; (2) nếu không có ăn mòn mạnh, được đánh giá là ăn mòn trung bình; (3) nếu có một hoặc hai vị trí ăn mòn mạnh, được đánh giá là ăn mòn mạnh; (4) nếu có 3 vị trí trở lên ăn mòn mạnh, được đánh giá là ăn mòn mạnh hoặc ăn mòn nghiêm trọng.
Dựa trên điện trở suất của đất, thế oxy hóa khử, hàm lượng nước, hàm lượng muối, giá trị pH và hàm lượng Cl- và SO42-, mức độ ăn mòn của các mẫu đất ở các sườn dốc khác nhau đã được đánh giá toàn diện. Kết quả nghiên cứu cho thấy đất trên tất cả các sườn dốc đều có tính ăn mòn cao.
Điện thế ăn mòn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Điện thế ăn mòn của cả ba sườn dốc đều thấp hơn -200 mV, điều này có tác động lớn nhất đến sự ăn mòn của lưới kim loại ở phía trên dốc. Độ dốc điện thế có thể được sử dụng để đánh giá cường độ dòng điện lạc trong đất. Dòng điện lạc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại trên sườn giữa và sườn dốc, đặc biệt là trên sườn giữa. Tổng hàm lượng muối hòa tan trong đất của sườn trên, sườn giữa và sườn dưới đều trên 500 mg/kg, và tác động ăn mòn lên lưới bảo vệ mái dốc ở mức độ vừa phải. Hàm lượng nước trong đất là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại trên sườn giữa và sườn dưới, và có tác động lớn hơn đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Chất dinh dưỡng dồi dào nhất trong đất sườn giữa, cho thấy có hoạt động vi sinh vật thường xuyên và sự phát triển nhanh chóng của thực vật.
Nghiên cứu cho thấy điện thế ăn mòn, độ dốc điện thế, tổng hàm lượng muối hòa tan và hàm lượng nước là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự ăn mòn đất trên ba sườn dốc, và mức độ ăn mòn đất được đánh giá là mạnh. Sự ăn mòn của mạng lưới bảo vệ mái dốc nghiêm trọng nhất ở sườn dốc giữa, điều này cung cấp tài liệu tham khảo cho thiết kế chống ăn mòn của mạng lưới bảo vệ mái dốc đường sắt. Việc bổ sung lượng nitơ dễ hấp thụ và phân hữu cơ thích hợp có lợi trong việc giảm ăn mòn đất, thúc đẩy sự phát triển của cây trồng và cuối cùng là ổn định mái dốc.
Cách trích dẫn bài báo này: Chen, J. et al. Ảnh hưởng của thành phần đất và điện hóa học đến sự ăn mòn của mạng lưới sườn dốc đá dọc theo một tuyến đường sắt Trung Quốc.science.Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Đặc điểm động của độ dốc nền đường sắt dưới tác động của động đất. Thảm họa tự nhiên. 69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. và cộng sự. Phân tích thiệt hại điển hình do động đất đối với đường cao tốc trong khu vực bị ảnh hưởng bởi động đất Vấn Xuyên thuộc tỉnh Tứ Xuyên[J]. Tạp chí Cơ học Đá và Kỹ thuật Trung Quốc. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Phân tích thiệt hại do động đất và các biện pháp khắc phục đối với cầu đường cao tốc trong trận động đất Vấn Xuyên. Tạp chí Cơ học Đá và Kỹ thuật Trung Quốc. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Tác động của trận động đất Chichi đến sạt lở đất do mưa sau đó ở miền trung Đài Loan. Địa chất kỹ thuật. 86, 87–101 (2006).
Koi, T. và cộng sự. Ảnh hưởng lâu dài của sạt lở đất do động đất gây ra đối với sự hình thành trầm tích trong lưu vực núi: Khu vực Tanzawa, Nhật Bản. Địa mạo học. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Tổng quan nghiên cứu về phân tích ổn định địa chấn của các mái dốc địa kỹ thuật. Kỹ thuật động đất và rung động kỹ thuật. 25, 164–171 (2005).
Yue Ping, Nghiên cứu về các tai biến địa chất do trận động đất Vấn Xuyên ở Tứ Xuyên gây ra. Tạp chí Địa chất Công trình 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Bảo vệ sườn dốc bằng thảm thực vật: cơ chế rễ của một số loài thực vật nhiệt đới. Tạp chí Khoa học Vật lý Quốc tế. 5, 496–506 (2010).
Takyu, M., Aiba, SI & Kitayama, K. Ảnh hưởng của địa hình đến rừng núi thấp nhiệt đới dưới các điều kiện địa chất khác nhau ở núi Kinabalu, Borneo. Sinh thái thực vật. 159, 35–49 (2002).
Stokes, A. và cộng sự. Đặc điểm rễ cây lý tưởng để bảo vệ các sườn dốc tự nhiên và nhân tạo khỏi sạt lở đất. Thực vật và Đất, 324, 1-30 (2009).
De Baets, S., Poesen, J., Gyssels, G. & Knapen, A. Ảnh hưởng của rễ cỏ đến khả năng xói mòn lớp đất mặt trong dòng chảy tập trung. Địa mạo học 76, 54–67 (2006).