Благодарим вас за посещение Nature.com. Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшей работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Взяв в качестве объекта исследования склон железной дороги Суй-Чунцин, удельное сопротивление почвы, электрохимию почвы (потенциал коррозии, окислительно-восстановительный потенциал, градиент потенциала и pH), анионы почвы (общее содержание растворимых солей, Cl-, SO42- и) и питание почвы (содержание влаги, органическое вещество, общий азот, щелочно-гидролизуемый азот, доступный фосфор, доступный калий). Под разными уклонами степень коррозии оценивается по индивидуальным показателям и комплексным показателям искусственной почвы. По сравнению с другими факторами наибольшее влияние на коррозию защитной сети склона оказывает вода, за которой следует содержание анионов. Общее содержание растворимых солей оказывает умеренное влияние на коррозию защитной сети склона, а блуждающий ток оказывает умеренное влияние на коррозию защитной сети склона. Степень коррозии образцов почвы была всесторонне оценена, и коррозия на верхнем склоне была умеренной, а коррозия на среднем и нижнем склонах была сильной. Органическое вещество в почве значительно коррелировало с градиентом потенциала. Доступный азот, доступный калий и доступный фосфор значительно коррелировали с анионы. Распределение питательных веществ в почве косвенно связано с типом склона.
При строительстве железных дорог, автомагистралей и водохозяйственных сооружений горные проходы зачастую неизбежны. Из-за гор на юго-западе строительство железных дорог в Китае требует больших объемов выемки грунта в горах. Это разрушает первоначальную почву и растительность, создавая открытые скалистые склоны. Такая ситуация приводит к оползням и эрозии почвы, тем самым угрожая безопасности железнодорожного транспорта. Оползни плохо влияют на дорожное движение, особенно после землетрясения в Вэньчуане 12 мая 2008 года. Оползни стали широко распространенной и серьезной катастрофой, связанной с землетрясениями1. В 2008 году при оценке 4243 километров основных магистральных дорог в провинции Сычуань было зафиксировано 1736 серьезных землетрясений в дорожном полотне и подпорных стенках склонов, что составило 39,76% от общей длины оценки. Прямые экономические потери от повреждения дорог превысили 58 миллиардов юаней2,3. Мировые примеры показывают, что геологические опасности после землетрясений могут длиться не менее 10 лет (землетрясение на Тайване) и даже до 40-50 лет (землетрясение Канто в Японии)4,5. Уклон является основным фактором, влияющим на опасность землетрясений6,7. Поэтому необходимо поддерживать уклон дороги и укреплять его устойчивость. Растения играют незаменимую роль в защите склонов и восстановлении экологического ландшафта8. По сравнению с обычными почвенными склонами, скалистые склоны не накапливают такие питательные вещества, как органические вещества, азот, фосфор и калий, и не имеют почвенной среды, необходимой для роста растительности. Из-за таких факторов, как большой склон и дождевая эрозия, почва склона легко теряется. Окружающая среда склона суровая, отсутствуют необходимые условия для роста растений, а почва склона не имеет поддерживающей устойчивости9. Распыление на склоне базового материала для покрытия почвы с целью защиты склона является широко используемой технологией экологического восстановления склона в моей стране. Искусственная почва, используемая для распыления, состоит из щебня, сельскохозяйственной почвы, соломы, комплексного удобрения, водоудерживающего агента и клея (обычно используемые клеи включают портландцемент, органический клей и битумный эмульгатор) в определенной пропорции. Технический процесс таков: сначала уложите колючую проволоку на скалу, затем закрепите колючую проволоку заклепками и анкерными болтами, и, наконец, распылите искусственную почву, содержащую семена, на склоне с помощью специального распылителя. В основном используется полностью оцинкованная металлическая сетка в форме ромба 14# со стандартом ячеек 5 см × 5 см и диаметром 2 мм. Металлическая сетка позволяет почвенной матрице образовывать прочную монолитную плиту на поверхности скалы. Металлическая сетка будет подвергаться коррозии в почве, поскольку сама почва является электролитом, а 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 контроле эрозии10,11,12,13,14. Для стабилизации склонов против неглубоких оползней можно использовать растительность, поскольку корни растений могут фиксировать почву, предотвращая оползни15,16,17. Древесная растительность, особенно деревья, помогает предотвращать неглубокие оползни18. Прочная защитная структура, образованная вертикальными и боковыми корневыми системами растений, которые действуют как армирующие сваи в почве. Развитие моделей корневой архитектуры обусловлено генами, и 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». Образование естественных почв является результатом взаимодействия между внешней средой и различными организмами на протяжении десятков миллионов лет22,23,24. Прежде чем древесная растительность сформирует стабильную корневую систему и экосистему, будь то металлическая сетка в сочетании при этом скальный склон и искусственный грунт могут безопасно функционировать, напрямую связаны с развитием естественного 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 по химическому машиностроению и другим отраслям промышленности, потери, вызванные коррозией металлов, составили 4% от общей стоимости продукции. Поэтому изучение механизма коррозии и принятие защитных мер для экономичного строительства имеет большое значение. Почва представляет собой сложную систему газов, жидкостей, твердых веществ и микроорганизмов. Микробные метаболиты могут вызывать коррозию материалов, а блуждающие токи также могут вызывать коррозию. Поэтому важно предотвращать коррозию металлов, зарытых в почву. В настоящее время исследования коррозии зарытых металлов в основном сосредоточены на (1) факторах, влияющих на коррозию зарытых металлов25; (2) методах защиты металлов26,27; (3) методах оценки степени коррозии металлов28; Коррозия в различных средах. Однако все почвы в исследовании были естественными и подверглись достаточным процессам почвообразования. Однако нет никаких сообщений об искусственной эрозии почвы на железнодорожных скальных откосах.
По сравнению с другими коррозионными средами искусственный грунт обладает такими характеристиками, как неликвидность, неоднородность, сезонность и региональность. Коррозия металлов в искусственных грунтах вызвана электрохимическими взаимодействиями между металлами и искусственными грунтами. Помимо врожденных факторов, скорость коррозии металлов также зависит от окружающей среды. На коррозию металлов по отдельности или в сочетании влияют различные факторы, такие как содержание влаги, содержание кислорода, общее содержание растворимых солей, содержание анионов и ионов металлов, pH, почвенные микробы30,31,32.
За 30 лет практики вопрос о том, как надолго сохранить искусственные почвы на каменистых склонах, стал проблемой33. Кустарники или деревья не могут расти на некоторых склонах после 10 лет ручного ухода из-за эрозии почвы. Грязь с поверхности металлической сетки была смыта в некоторых местах. Из-за коррозии некоторые металлические сетки треснули и потеряли всю почву над и под ними (рисунок 1). В настоящее время исследования коррозии железнодорожных откосов в основном сосредоточены на коррозии заземляющей сети железнодорожной подстанции, коррозии блуждающих токов, создаваемых легкорельсовым транспортом, и коррозии железнодорожных мостов34,35, путей и другого транспортного оборудования36. Сообщений о коррозии металлической сетки защиты железнодорожного откоса не поступало. В этой статье изучаются физические, химические и электрохимические свойства искусственных почв на юго-западном скальном склоне железной дороги Суйюй с целью прогнозирования коррозии металла путем оценки свойств почвы и предоставления теоретической и практической основы для восстановления почвенной экосистемы и искусственного восстановления. Искусственный откос.
Испытательный полигон расположен в холмистой местности Сычуани (30°32′ с.ш., 105°32′ в.д.) недалеко от железнодорожной станции Суйнин. Район расположен в центре Сычуаньской котловины, с невысокими горами и холмами, с простой геологической структурой и равнинным рельефом. Эрозия, выемка и накопление воды создают эродированные холмистые ландшафты. Коренная порода в основном известняк, а покрывающая порода в основном пурпурный песок и аргиллит. Целостность плохая, а порода представляет собой блочную структуру. Район исследования имеет субтропический влажный муссонный климат с сезонными характеристиками ранней весны, жаркого лета, короткой осени и поздней зимы. Осадки обильные, световые и тепловые ресурсы обильные, безморозный период длительный (в среднем 285 дней), климат мягкий, среднегодовая температура составляет 17,4 °C, средняя температура самого жаркого месяца (августа) составляет 27,2 °C, а экстремальная максимальная температура составляет 39,3°C.Самый холодный месяц - январь (средняя температура 6,5°C), экстремально 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 различается. Доля осадков в каждом сезоне года составляет 19-21%, 51-54%, 22-24% и 4-5% соответственно.
Исследовательский участок представляет собой склон крутизной около 45° на склоне железной дороги Юй-Суй, построенной в 2003 году. В апреле 2012 года он был обращен на юг в пределах 1 км от железнодорожной станции Суйнин. В качестве контроля использовался естественный склон. Экологическое восстановление склона осуществляется с использованием зарубежной технологии распыления верхнего слоя почвы для экологического восстановления. В зависимости от высоты железнодорожного откоса склон можно разделить на восходящий, средний и нисходящий (рис. 2). Поскольку толщина искусственной почвы срезанного склона составляет около 10 см, во избежание загрязнения продуктами коррозии металлической сетки почвы мы используем только лопату из нержавеющей стали для взятия поверхности почвы толщиной 0-8 см. Для каждого положения склона было установлено четыре повтора с 15-20 случайными точками отбора проб на повтор. Каждый повтор представляет собой смесь из 15-20 случайно определенных точек отбора проб по S-образной линии. Его свежий вес составляет около 500 граммов. Доставьте образцы обратно в лабораторию в полиэтиленовых пакетах с застежкой-молнией для обработки. Почву естественным образом высушивают на воздухе, а гравий, а также остатки животных и растений выбирают, измельчают агатовой палочкой и просеивают с помощью Нейлоновое сито с ячейками 20 и 100, за исключением крупных частиц.
Удельное сопротивление грунта измерялось измерителем сопротивления заземления VICTOR4106 производства Shengli Instrument Company; удельное сопротивление грунта измерялось в полевых условиях; влажность почвы измерялась методом высушивания. Портативный цифровой прибор мВ/рН DMP-2 отличается высоким входным импедансом для измерения потенциала коррозии почвы. Градиент потенциала и окислительно-восстановительный потенциал определялись с помощью портативного цифрового прибора мВ/рН DMP-2, общее содержание растворимых солей в почве определялось методом высушивания остатка, содержание хлорид-ионов в почве определялось методом титрования AgNO3 (метод Мора), содержание сульфатов в почве определялось методом непрямого титрования ЭДТА, методом двойного индикаторного титрования для определения карбоната и бикарбоната почвы, методом нагревания при окислении дихроматом калия для определения органического вещества почвы, методом диффузии щелочного раствора для определения азота щелочного гидролиза почвы, колориметрическим методом Mo-Sb с разложением H2SO4-HClO4. Общее содержание фосфора в почве и доступное содержание фосфора в почве определялись методом Олсена (раствор NaHCO3 0,05 моль/л в качестве экстрагента), а общее содержание калия в почве определялось методом фотометрии с плавлением и пламенем гидроксида натрия.
Первоначально экспериментальные данные были систематизированы. Для проведения анализа среднего значения, стандартного отклонения, однофакторного дисперсионного анализа и анализа корреляции с участием человека использовался пакет SPSS Statistics 20.
В таблице 1 представлены электромеханические свойства, анионы и питательные вещества почв с различными уклонами. Потенциал коррозии, удельное сопротивление почвы и градиент потенциала восток-запад различных уклонов были значимыми (P < 0,05). Окислительно-восстановительные потенциалы спуска, середины уклона и естественного уклона были значимыми (P < 0,05). Градиент потенциала, перпендикулярный рельсам, то есть градиент потенциала север-юг, составляет подъем>спуск>середина уклона. Значение pH почвы было в порядке спуска>подъем>средний уклон>естественный уклон. Общее содержание растворимых солей естественного уклона было значительно выше, чем у железнодорожного уклона (P < 0,05). Общее содержание растворимых солей почвы железнодорожного уклона третьего класса составляет более 500 мг/кг, и общее содержание растворимых солей оказывает умеренное влияние на коррозию металлов. Содержание органического вещества почвы было самым высоким на естественном уклоне и самым низким на спуске (P < 0,05). Общее содержание азота было самым высоким на среднем уклоне и самым низким на подъеме. склон; содержание доступного азота было самым высоким на склоне вниз и в средней части склона и самым низким на естественном склоне; общее содержание азота на склоне вверх и вниз по железной дороге было ниже, но содержание доступного азота было выше. Это указывает на то, что скорость минерализации органического азота вверх и вниз по склону высокая. Содержание доступного калия такое же, как и содержание доступного фосфора.
Удельное сопротивление почвы — это индекс, указывающий на электропроводность, 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. Как правило, почвы с низким удельным сопротивлением более коррозионны, и наоборот. Использование удельного сопротивления для оценки коррозионной активности почвы — это метод, широко используемый в разных странах. В таблице 1 показаны критерии оценки степени коррозионной активности для каждого отдельного индекса37,38.
Согласно результатам испытаний и стандартам в моей стране (таблица 1), если коррозионную активность почвы оценивать только по удельному сопротивлению почвы, то почва на восходящем склоне будет высококоррозионной; почва на нисходящем склоне будет умеренно коррозионной; коррозионная активность почвы на среднем склоне и естественном склоне будет относительно низкой.
Удельное сопротивление почвы на склоне, расположенном выше, значительно ниже, чем на других участках склона, что может быть вызвано дождевой эрозией. Верхний слой почвы на склоне, расположенном выше, стекает с водой на средний склон, поэтому металлическая защитная сетка склона, расположенная выше, находится близко к верхнему слою почвы. Некоторые металлические сетки были обнажены и даже висели в воздухе (рисунок 1). Удельное сопротивление почвы измерялось на месте; расстояние между сваями составляло 3 м; глубина забивки свай была менее 15 см. Голая металлическая сетка и отслаивающаяся ржавчина могут повлиять на результаты измерений. Поэтому оценивать коррозионную стойкость почвы только по индексу удельного сопротивления почвы ненадежно. При комплексной оценке коррозии удельное сопротивление почвы на склоне, расположенном выше, не учитывается.
Из-за высокой относительной влажности постоянный влажный воздух в районе Сычуани приводит к тому, что металлическая сетка, находящаяся на воздухе, подвергается более серьезной коррозии, чем металлическая сетка, закопанная в почву39. Воздействие воздуха на проволочную сетку может привести к сокращению срока службы, что может дестабилизировать почвы на возвышенностях. Потеря почвы может затруднить рост растений, особенно древесных растений. Из-за отсутствия древесных растений сложно сформировать корневую систему на возвышенностях для укрепления почвы. В то же время рост растений может также улучшить качество почвы и увеличить содержание гумуса в почве, который может не только удерживать воду, но и обеспечивать хорошую среду для роста и размножения животных и растений, тем самым уменьшая потерю почвы. Поэтому на ранней стадии строительства следует высевать больше древесных семян на склоне, а также постоянно добавлять водоудерживающий агент и покрывать пленкой для защиты, чтобы уменьшить эрозию почвы на склоне дождевой водой.
Потенциал коррозии является важным фактором, влияющим на коррозию защитной сети склона на трехуровневом склоне, и оказывает наибольшее влияние на подъемный склон (таблица 2). В нормальных условиях потенциал коррозии не сильно меняется в данной среде. Заметное изменение может быть вызвано блуждающими токами. Блуждающие токи относятся к токам 40, 41, 42, которые просачиваются в дорожное полотно и почвенную среду, когда транспортные средства используют систему общественного транспорта. С развитием транспортной системы железнодорожная транспортная система моей страны достигла крупномасштабной электрификации, и коррозию скрытых металлов, вызванную утечкой постоянного тока от электрифицированных железных дорог, нельзя игнорировать. В настоящее время градиент потенциала почвы можно использовать для определения того, содержит ли почва возмущения блуждающих токов. Когда градиент потенциала поверхностного слоя почвы ниже 0,5 мВ/м, блуждающий ток низок; когда градиент потенциала находится в диапазоне от 0,5 мВ/м до 5,0 мВ/м, блуждающий ток умерен; Когда градиент потенциала превышает 5,0 мВ/м, уровень блуждающего тока высок. Плавающий диапазон градиента потенциала (EW) средней части склона, восходящего и нисходящего склона показан на рисунке 3. Что касается плавающего диапазона, то в направлениях восток-запад и север-юг средней части склона наблюдаются умеренные блуждающие токи. Таким образом, блуждающий ток является важным фактором, влияющим на коррозию металлических сеток на средней части склона и нисходящем склоне, 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 большую 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 трех склонов был больше 500 мВ, а уровень коррозии был очень низким. Это показывает, что состояние почвенной вентиляции склоновых земель хорошее, что не способствует коррозии анаэробных микроорганизмов в почве.
Предыдущие исследования показали, что влияние pH почвы на эрозию почвы очевидно. При колебаниях значения pH существенно влияет скорость коррозии металлических материалов. pH почвы тесно связан с площадью и микроорганизмами в почве45,46,47. Вообще говоря, влияние pH почвы на коррозию металлических материалов в слабощелочной почве не очевидно. Все почвы трех железнодорожных склонов являются щелочными, 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), коррозионный потенциал и градиент потенциала (SN) значительно положительно коррелируют (R2 = 0,755), а окислительно-восстановительный потенциал и градиент потенциала (SN) значительно положительно коррелируют (R2 = 0,755). Существовала значительная отрицательная корреляция между потенциалом и pH (R2 = -0,724). Положение склона значительно положительно коррелировало с окислительно-восстановительным потенциалом. Это показывает, что существуют различия в микросреде различных положений склона, а почвенные микроорганизмы тесно связаны с окислительно-восстановительным потенциалом48, 49, 50. Окислительно-восстановительный потенциал значительно отрицательно коррелировал с pH51,52. Эта связь указывает на то, что значения pH и Eh не всегда изменяются синхронно во время окислительно-восстановительного процесса в почве, а имеют отрицательную линейную зависимость. Потенциал коррозии металла может представлять собой относительную способность получать 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, что увеличивает ее сопротивление. В почвенных электролитах не только анионы и различные диапазоны, но и коррозионное воздействие оказывают в основном карбонаты, хлориды и сульфаты. Кроме того, общее содержание растворимых солей в почве косвенно влияет на коррозию через влияние других факторов, таких как влияние электродного потенциала в металлах и растворимость кислорода в почве53.
Большинство растворимых солевых диссоциированных ионов в почве не участвуют напрямую в электрохимических реакциях, но влияют на коррозию металлов через удельное сопротивление почвы. Чем выше соленость почвы, тем сильнее ее проводимость и сильнее эрозия почвы. Содержание солености почвы на естественных склонах значительно выше, чем на железнодорожных склонах, что может быть связано с тем, что естественные склоны богаты растительностью, что способствует сохранению почвы и воды. Другой причиной может быть то, что естественный склон претерпел зрелое почвообразование (почвообразующая порода, образованная выветриванием горных пород), но почва железнодорожного склона состоит из щебня в качестве матрицы «искусственной почвы» и не подверглась достаточному процессу почвообразования. Минералы не высвобождаются. Кроме того, ионы соли в глубокой почве естественных склонов поднимаются за счет капиллярного действия во время поверхностного испарения и накапливаются в поверхностной почве, что приводит к увеличению содержания ионов соли в поверхностной почве. Толщина почвы железнодорожного откоса составляет менее 20 см, что приводит к неспособности верхнего слоя почвы восполнять соль из глубокой почвы.
Положительные ионы (такие как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и т. д.) оказывают незначительное влияние на коррозию почвы, в то время как анионы играют значительную роль в электрохимическом процессе коррозии и оказывают значительное влияние на коррозию металла. Cl− может ускорить коррозию анода и является наиболее коррозионным анионом; чем выше содержание Cl−, тем сильнее коррозия почвы. SO42− не только способствует коррозии стали, но и вызывает коррозию некоторых бетонных материалов54. Также разъедает железо. В серии экспериментов с кислой почвой было обнаружено, что скорость коррозии пропорциональна кислотности почвы55. Хлорид и сульфат являются основными компонентами растворимых солей, которые могут напрямую ускорять кавитацию металлов. Исследования показали, что потеря веса углеродистой стали из-за коррозии в щелочных почвах почти пропорциональна добавлению ионов хлорида и сульфата56,57. Ли и др. установлено, что SO42- может препятствовать коррозии, но способствовать развитию уже образовавшихся коррозионных язв58.
Согласно стандарту оценки коррозионной активности почвы и результатам испытаний, содержание хлорид-ионов в каждом образце почвы склона было выше 100 мг/кг, что указывает на сильную коррозионную активность почвы. Содержание сульфат-ионов как на восходящих, так и на нисходящих склонах было выше 200 мг/кг и ниже 500 мг/кг, и почва была умеренно корродирована. Содержание сульфат-ионов в средней части склона ниже 200 мг/кг, и коррозия почвы слабая. Когда почвенная среда содержит высокую концентрацию, она будет участвовать в реакции и образовывать коррозионную окалину на поверхности металлического электрода, тем самым замедляя коррозионную реакцию. По мере увеличения концентрации окалина может внезапно разрушиться, тем самым значительно ускоряя скорость коррозии; по мере того, как концентрация продолжает увеличиваться, коррозионная окалина покрывает поверхность металлического электрода, и скорость коррозии снова демонстрирует тенденцию к замедлению59. Исследование показало, что количество в почве было ниже и, следовательно, не оказывало большого влияния на коррозию.
Согласно таблице 4, корреляция между уклоном и анионами почвы показала, что существует значительная положительная корреляция между уклоном и хлорид-ионами (R2=0,836), а также значительная положительная корреляция между уклоном и общим содержанием растворимых солей (R2=0,742).
Это говорит о том, 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. Таким образом, мы можем знать, что разница в уклоне может вызвать сильную коррозию металлической сетчатой ​​части.
Органическое вещество, общий азот, доступный азот, доступный фосфор и доступный калий являются основными питательными веществами почвы, которые влияют на качество почвы 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. Железная дорога Суйюй была завершена в 2003 году, что означает, что искусственная почва испытала накопление органических веществ всего за 9 лет. В связи с особенностями искусственной почвы необходимо иметь хорошее представление о питательных веществах в искусственной почве.
Исследование показывает, что содержание органического вещества является самым высоким в почве естественного склона после всего процесса почвообразования. Содержание органического вещества в почве низкого склона было самым низким. Из-за влияния выветривания и поверхностного стока питательные вещества почвы будут накапливаться в средней части склона и ниже по склону, образуя толстый слой гумуса. Однако из-за мелких частиц и плохой устойчивости почвы низкого склона органическое вещество легко разлагается микроорганизмами. Исследование показало, что растительный покров и разнообразие в средней части склона и ниже по склону были высокими, но однородность была низкой, что может привести к неравномерному распределению поверхностных питательных веществ. Толстый слой гумуса удерживает воду, и почвенные организмы активны. Все это ускоряет разложение органического вещества в почве.
Содержание щелочно-гидролизованного азота в железнодорожных путях, идущих вверх, по среднему и нижнему склону, было выше, чем в естественном склоне, что указывает на то, что скорость минерализации органического азота в железнодорожном склоне была значительно выше, чем в естественном склоне. Чем мельче частицы, тем нестабильнее структура почвы, тем легче микроорганизмам разлагать органическое вещество в агрегатах и ​​тем больше пул минерализованного органического азота60,61. Согласно результатам исследования62, содержание агрегатов мелких частиц в почве железнодорожных откосов было значительно выше, чем в естественных откосах. Поэтому необходимо принять соответствующие меры для увеличения содержания удобрений, органических веществ и азота в почве железнодорожного откоса и улучшения устойчивого использования почвы. Потеря доступного фосфора и доступного калия, вызванная поверхностным стоком, составила от 77,27% до 99,79% от общей потери железнодорожного откоса. Поверхностный сток может быть основным фактором потери доступных питательных веществ в откосе. почвы63,64,65.
Как показано в таблице 4, наблюдалась значительная положительная корреляция между положением уклона и доступным фосфором (R2=0,948), а корреляция между положением уклона и доступным калием была такой же (R2=0,898). Это показывает, что положение уклона влияет на содержание доступного фосфора и доступного калия в почве.
Градиент является важным фактором, влияющим на содержание органического вещества в почве и обогащение азотом66, и чем меньше градиент, тем выше скорость обогащения. Для обогащения почвы питательными веществами потеря питательных веществ была ослаблена, а влияние положения склона на содержание органического вещества в почве и общее обогащение азотом было неочевидным. Различные типы и количество растений на разных склонах имеют разные органические кислоты, выделяемые корнями растений. Органические кислоты полезны для фиксации доступного фосфора и доступного калия в почве. Следовательно, существует значительная корреляция между положением склона и доступным фосфором, а также положением склона и доступным калием.
Чтобы прояснить связь между питательными веществами почвы и почвенной коррозией, 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-восстановительного потенциала, на которое обычно влияют некоторые физические и химические свойства почвы, а затем он влияет на ряд свойств почвы. Поэтому он является важным фактором в определении направления трансформации питательных веществ почвы67. Различные окислительно-восстановительные качества могут приводить к различным состояниям и доступности питательных факторов. Поэтому окислительно-восстановительный потенциал имеет значительную корреляцию с доступным азотом, доступным фосфором и доступным калием.
Помимо свойств металла, коррозионный потенциал также связан со свойствами почвы. Коррозионный потенциал значительно отрицательно коррелировал с органическим веществом, что указывает на то, что органическое вещество оказывает значительное влияние на коррозионный потенциал. Кроме того, органическое вещество также значительно отрицательно коррелировало с градиентом потенциала (SN) (R2 = -0,713) и сульфат-ионом (R2 = -0,671), что указывает на то, что содержание органического вещества также влияет на градиент потенциала (SN) и сульфат-ион. Существовала значительная отрицательная корреляция между pH почвы и доступным калием (R2 = -0,728).
Доступный азот значительно отрицательно коррелировал с общим содержанием растворимых солей и хлорид-ионов, а доступный фосфор и доступный калий значительно положительно коррелировали с общим содержанием растворимых солей и хлорид-ионов. Это указывало на то, что доступное содержание питательных веществ значительно влияло на количество общего содержания растворимых солей и хлорид-ионов в почве, а анионы в почве не способствовали накоплению и поставке доступных питательных веществ. Общий азот значительно отрицательно коррелировал с сульфат-ионом и значительно положительно коррелировал с бикарбонатом, что указывает на то, что общий азот оказывал влияние на содержание сульфата и бикарбоната. Растениям не нужны сульфат-ионы и бикарбонат-ионы, поэтому большинство из них находятся в почве в свободном состоянии или поглощаются почвенными коллоидами. Бикарбонат-ионы способствуют накоплению азота в почве, а сульфат-ионы снижают доступность азота в почве. Поэтому соответствующее увеличение содержания доступного азота и гумуса в почве полезно для снижения коррозионной активности почвы.
Почва представляет собой систему со сложным составом и свойствами. Коррозионная активность почвы является результатом синергического действия многих факторов. Поэтому для оценки коррозионной активности почвы обычно используется комплексный метод оценки. Ссылаясь на «Кодекс геотехнических инженерных исследований» (GB50021-94) и методы испытаний Китайской сети испытаний коррозии почвы, степень коррозии почвы может быть комплексно оценена в соответствии со следующими стандартами: (1) Оценка - слабая коррозия, если только слабая коррозия, то нет умеренной коррозии или сильная коррозия; (2) если нет сильной коррозии, она оценивается как умеренная коррозия; (3) если есть одно или два места сильной коррозии, она оценивается как сильная коррозия; (4) если есть 3 или более мест сильной коррозии, она оценивается как сильная коррозия для сильной коррозии.
На основании удельного сопротивления почвы, окислительно-восстановительного потенциала, содержания воды, солей, значения pH, а также содержания Cl- и SO42- была проведена комплексная оценка степени коррозионной активности образцов почвы на различных склонах. Результаты исследований показывают, что почвы на всех склонах обладают высокой коррозионной активностью.
Потенциал коррозии является важным фактором, влияющим на коррозию сетки защиты склона. Потенциал коррозии всех трех склонов ниже -200 мВ, что оказывает наибольшее влияние на коррозию металлической сетки, расположенной на подъеме. Градиент потенциала можно использовать для оценки величины блуждающего тока в почве. Блуждающий ток является важным фактором, влияющим на коррозию металлической сетки на средних склонах и склонах подъема, особенно на средних склонах. Общее содержание растворимых солей в почвах верхних, средних и нижних склонов превышало 500 мг/кг, а коррозионное воздействие на сетку защиты склона было умеренным. Содержание почвенной воды является важным фактором, влияющим на коррозию металлических сеток на средних и нижних склонах, и оказывает большее влияние на коррозию сеток защиты склона. Питательные вещества наиболее распространены в почве средних склонов, что указывает на частую микробную активность и быстрый рост растений.
Исследование показывает, что коррозионный потенциал, градиент потенциала, общее содержание растворимых солей и содержание воды являются основными факторами, влияющими на коррозию почвы на трех склонах, а коррозионная активность почвы оценивается как сильная. Коррозия сети защиты склона является наиболее серьезной на среднем склоне, что дает ориентир для антикоррозионного проектирования сети защиты железнодорожного склона. Соответствующее добавление имеющегося азота и органических удобрений полезно для снижения коррозии почвы, содействия росту растений и, наконец, стабилизации склона.
Как цитировать эту статью: Chen, J. et al. Влияние состава почвы и электрохимии на коррозию сети скальных склонов вдоль китайской железнодорожной линии. science. Rep. 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Линь, Я. Л. и Янг, Г. Л. Динамические характеристики откосов железнодорожного земляного полотна при сейсмическом возбуждении.Стихийное бедствие.69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Анализ типичных повреждений автомагистралей от землетрясений в районе Вэньчуань провинции Сычуань, пострадавшем от землетрясения [J]. Китайский журнал механики и инженерии горных пород. 28, 1250–1260 (2009).
Вэйлинь, З., Чжэньюй, Л. и Цзиньсун, Дж. Анализ сейсмических повреждений и меры противодействия автодорожным мостам при землетрясении в Вэньчуане. Китайский журнал механики горных пород и инженерии. 28, 1377–1387 (2009).
Линь, Ч. В., Лю, Ш. Х., Ли, С. Ю. и Лю, К. Ч. Влияние землетрясения в Чичи на оползни, вызванные последующими дождями в центральном Тайване. Инженерная геология. 86, 87–101 (2006).
Кои, Т. и др. Долгосрочные эффекты оползней, вызванных землетрясениями, на образование осадочных пород в горном водоразделе: регион Танзава, Япония. Геоморфология. 101, 692–702 (2008).
Хуншуай, Л., Цзиншань, Б. и Дедонг, Л. Обзор исследований по анализу сейсмической устойчивости геотехнических склонов. Сейсмостойкость и инженерная вибрация. 25, 164–171 (2005).
Юэ Пин, Исследование геологических опасностей, вызванных землетрясением Вэньчуань в Сычуани. 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, СИ и Китаяма, К. Топографические эффекты в тропических лесах низкогорий в различных геологических условиях на горе Кинабалу, Борнео. Экология растений.159, 35–49 (2002).
Стоукс, А. и др. Идеальные характеристики корней растений для защиты естественных и искусственных склонов от оползней. Растения и почвы, 324, 1-30 (2009).
Де Батс, С., Поесен, Дж., Гиссельс, Г. и Кнапен, А. Влияние корней трав на эрозию верхнего слоя почвы во время концентрированного потока. Геоморфология 76, 54–67 (2006).