Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ hạn chế cho CSS. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã 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 dốc đường sắt Sui-Trùng Khánh làm đối tượng nghiên cứu, điện trở suất đất, điện hóa đất (thế ăn mòn, thế oxy hóa khử, građien thế và pH), anion đất (tổng muối hòa tan, Cl-, SO42- và) và dinh dưỡng đất. (Độ ẩm, chất hữu cơ, tổng nitơ, nitơ thủy phân kiềm, phốt pho khả dụng, kali khả dụng) Dưới các độ dốc khác nhau, cấp độ ăn mòn được đánh giá theo các chỉ số riêng lẻ và chỉ số tổng hợp của đất nhân tạo. 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 muối hòa tan có tác động vừa phải đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc và dòng điện đi lạc có tác động vừa phải đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Mức độ ăn mòn của các mẫu đất đã được đánh giá toàn diện và sự ăn mòn ở sườn trên là vừa phải, và sự ăn mòn ở sườn giữa và dưới là mạnh. Chất hữu cơ trong đất có mối tương quan đáng kể với građien thế. Nitơ khả dụng, kali khả dụng và phốt pho khả dụng có mối tương quan đáng kể với anion. Sự phân bố các chất dinh dưỡng trong đất gián tiếp liên quan đến loại độ dốc.
Khi xây dựng đường sắt, đường cao tốc và các công trình thủy lợi, việc mở núi thường là không thể tránh khỏi. Do có nhiều núi ở phía tây nam nên việc xây dựng đường sắt của Trung Quốc đòi hỏi phải đào rất nhiều núi. Nó phá hủy đất và thảm thực vật ban đầu, tạo ra các sườn dốc đá lộ thiên. Tình trạng này dẫn đến lở đất và xói mòn đất, do đó đe dọa đến sự an toàn của vận tải đường sắt. Trượt đất có hại cho giao thông đường bộ, đặc biệt là sau trận động đất Vấn Xuyên ngày 12 tháng 5 năm 2008. Trượt đất đã trở thành một thảm họa động đất nghiêm trọng và phân bố rộng rãi1. Trong đợt đánh giá năm 2008 đối với 4.243 km đường trục chính ở tỉnh Tứ Xuyên, đã xảy ra 1.736 trận động đất nghiêm trọng ở nền đường và tường chắn mái dốc, chiếm 39,76% tổng chiều dài đánh giá. Tổn thất kinh tế trực tiếp do hư hỏng đường bộ vượt quá 58 tỷ nhân dân tệ 2,3. Các ví dụ trên toàn cầu cho thấy các mối nguy hiểm địa chất sau động đất có thể kéo dài ít nhất 10 năm (trận động đất Đài Loan) và thậm chí tới 40-50 năm (trận động đất Kanto ở Nhật Bản) 4,5. Độ dốc là yếu tố chính ảnh hưởng đến mối nguy hiểm động đất 6,7. Do đó, cần phải duy trì độ dốc đường và tăng cường độ ổn định của nó. Thực vật đóng vai trò không thể thay thế trong việc bảo vệ mái dốc và phục hồi cảnh quan sinh thái 8. So với các mái dốc đất thông thường, các 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 dốc dễ bị mất. Môi trường sườn dốc khắc nghiệt, thiếu các điều kiện cần thiết cho sự phát triển của thực vật và đất sườn dốc thiếu sự ổn định hỗ trợ9. Phun dốc bằng vật liệu nền để phủ đất bảo vệ sườn dốc là công nghệ phục hồi sinh thái sườn dốc thường được sử dụng ở nước tôi. Đất nhân tạo dùng để phun bao gồm đá dăm, đất nông nghiệp, rơm rạ, phân bón hỗn hợp, chất giữ nước và chất kết dính (chất kết dính thường dùng bao gồm xi măng Portland, keo hữu cơ và chất nhũ hóa nhựa đường) theo tỷ lệ nhất định. Quy trình kỹ thuật là: 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 bình phun chuyên dụng. Lưới kim loại hình thoi 14# được mạ kẽm hoàn toàn thường được sử dụng, với tiêu chuẩn lưới là 5cm × 5cm và đường kính 2mm. Lưới kim loại cho phép nền đất tạo thành một tấm nguyên khối bền 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 điểm của đất. Đánh giá sự ăn mòn của đất Các yếu tố này có ý nghĩa to lớn trong việc đánh giá sự xói mòn lưới kim loại do đất gây ra và loại bỏ nguy cơ 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 lở đất nông, có thể sử dụng thảm thực vật vì rễ cây có thể cố định đất để ngăn ngừa lở đất15,16,17. Thảm thực vật thân gỗ, đặc biệt là cây cối, giúp ngăn ngừa lở đất nông18. Một cấu trúc bảo vệ chắc chắn được hình thành bởi hệ thống rễ thẳng đứng và bên của thực vật hoạt động như các cọc gia cố trong đất. Sự phát triển của các kiểu kiến ​​trúc rễ được thúc đẩy bởi các gen và môi trường đất đóng vai trò quyết định trong các quá trình này. Ăn mòn kim loại thay đổi tùy theo 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 so với "đất" thực sự. 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, việc lưới kim loại kết hợp với mái dốc đá và đất nhân tạo có thể hoạt động an toàn hay không liên quan trực tiếp đến sự phát triển của nền kinh tế tự nhiên, sự an toàn của cuộc sống và 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 tiến hành 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 thực hiện các biện pháp bảo vệ cho xây dựng kinh tế có ý nghĩa rất lớn. Đất là một hệ thống phức tạp gồm các chất khí, chất lỏng, chất rắn và vi sinh vật. Các chất chuyển hóa của vi khuẩn có thể ăn mòn vật liệu và dòng điện đi lạc cũng có thể gây ra sự ăn mòn. Do đó, điều quan trọng là phải ngăn ngừa sự ăn mòn kim loại chôn trong đất. Hiện nay, nghiên cứu về ăn mòn kim loại chôn chủ yếu tập trung vào (1) các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại chôn25; (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 đủ các quá trình hình thành đất. Tuy nhiên, không có báo cáo nào về xói mòn đất nhân tạo ở mái dốc đá đường sắt.
So với các môi trường ăn mòn khác, đất nhân tạo có các đặc điểm là không lưu thông, không đồng nhất, theo mùa và theo vùng. Ăn mòn kim loại trong đất nhân tạo là do tương tác điện hóa giữa kim loại và đất nhân tạo. Ngoài các yếu tố bẩm sinh, tốc độ ăn mòn kim loại còn phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn kim loại riêng lẻ hoặc kết hợp, chẳng hạn như hàm lượng ẩm, hàm lượng oxy, tổng hàm lượng muối hòa tan, hàm lượng anion và ion kim loại, độ pH, vi khuẩn đất30,31,32.
Trong 30 năm thực hành, câu hỏi làm thế nào để bảo tồn vĩnh viễn đất nhân tạo trên các sườn dốc đá đã trở thành một vấn đề33. Cây bụi hoặc cây không thể mọc trên một số sườn dốc sau 10 năm chăm sóc thủ công do xói mòn đất. Đất bẩn trên bề mặt lưới kim loại bị rửa trôi ở một số nơi. Do bị ăn mòn, một số lưới kim loại bị nứt và mất hết đất ở trên và dưới chúng (Hình 1). Hiện nay, nghiên cứu về ăn mòn mái dốc đường sắt chủ yếu tập trung vào sự ăn mòn của lưới tiếp địa trạm biến áp đường sắt, ăn mòn dòng điện rò do đường sắt nhẹ tạo ra và ăn mòn cầu đường sắt34,35, đường ray và các thiết bị phương tiện khác36. Không có báo cáo nào về sự ăn mòn của lưới kim loại bảo vệ mái dốc đường sắt. Bài báo này nghiên cứu các tính chất 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 sự ăn mòn kim loại bằng cách đánh giá các tính chất của đất và cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để phục hồi hệ sinh thái đất và phục hồi nhân tạo. Mái dốc nhân tạo.
Địa điểm thử nghiệm nằm ở vùng đồi núi Tứ Xuyên (30°32′B, 105°32′Đ) gần Ga xe lửa Toại Ninh. Khu vực này nằm ở giữa lưu vực Tứ Xuyên, có núi thấp và đồi, có cấu trúc địa chất đơn giản và địa hình bằng phẳng. Xói mòn, cắt và tích tụ nước tạo ra cảnh quan đồi núi bị xói mòn. Nền đá chủ yếu là đá vôi, và lớp phủ chủ yếu là cát tím và đá bùn. Tính toàn vẹn kém và đá có cấu trúc khối. Khu vực nghiên cứu có khí hậu gió mùa ẩm cận nhiệt đới với đặc điểm theo mùa là đầu xuân, mùa hè nóng, mùa thu ngắn và cuối đông. 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 cực đại là 39,3°C. Tháng lạnh nhất là tháng 1 (nhiệt độ trung bình là 6,5°C), nhiệt độ tối thiểu cực đại là -3,8°C, lượng mưa trung bình năm là 920 mm, chủ yếu tập trung vào tháng 7 và tháng 8. Lượng mưa vào mùa xuân, mùa hè, mùa thu và mùa đông thay đổi rất lớn. 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 là một sườn dốc khoảng 45° trên sườn đường sắt Yu-Sui được xây dựng vào năm 2003. Vào tháng 4 năm 2012, nó hướng về phía nam trong vòng 1 km của Ga đường sắt Suining. Độ dốc tự nhiên được sử dụng làm đối chứng. Việc phục hồi sinh thái của sườn dốc áp dụng công nghệ phun đất phủ mặt của nước ngoài để phục hồi sinh thái. Theo chiều cao của sườn dốc bên đường sắt, sườn dốc có thể được chia thành dốc lên, dốc giữa và dốc xuống (Hình 2). Vì độ dày của đất nhân tạo dốc cắt là khoảng 10cm, để tránh ô nhiễm các sản phẩm ăn mòn của lưới kim loại đất, chúng tôi chỉ sử dụng xẻng thép không gỉ để lấy bề mặt đất 0-8cm. Bốn lần lặp lại được thiết lập cho mỗi vị trí dốc, với 15-20 điểm lấy mẫu ngẫu nhiên cho mỗi lần lặp lại. Mỗi lần lặp lại là hỗn hợp của 15-20 điểm được xác định ngẫu nhiên từ các điểm lấy mẫu theo đường chữ S. Trọng lượng tươi của nó là khoảng 500 gram. Mang các mẫu trở lại phòng thí nghiệm trong túi ziplock polyethylene để xử lý. Đất được phơi khô tự nhiên trong không khí, và sỏi và tàn dư động vật và thực vật được nhặt ra, nghiền nát bằng que mã não và rây bằng rây nylon 20 lưới, 100 lưới ngoại trừ các hạt thô.
Điện trở suất của đất được đo bằng máy kiểm tra điện trở đất VICTOR4106 do Công ty TNHH Thiết bị Shengli sản xuất; điện trở suất của đất được đo tại hiện trường; Độ ẩm đất được đo bằng phương pháp sấy khô. Thiết bị đo pH/mV kỹ thuật số cầm tay DMP-2 có trở kháng đầu vào cao để đo điện thế ăn mòn đất. Độ dốc thế và điện thế oxy hóa khử được xác định bằng thiết bị đo pH/mV kỹ thuật số cầm tay DMP-2, tổng 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 sunfat 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 nung 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 phân hủy H2SO4-HClO4 phương pháp đo màu Mo-Sb Tổng lượng phốt pho trong đất và hàm lượng phốt pho khả dụng trong đất được xác định bằng phương pháp Olsen (dung dịch NaHCO3 0,05 mol/L làm chất chiết xuất) và tổng lượng kali trong đất được xác định bằng phương pháp quang kế ngọn lửa nóng chảy natri hydroxit.
Dữ liệu thực nghiệm ban đầu được hệ thống hóa. SPSS Statistics 20 được sử dụng để thực hiện phân tích trung bình, độ lệch chuẩn, ANOVA một chiều và tương quan của con người.
Bảng 1 trình bày các tính chất cơ điện, anion và chất dinh dưỡng của đất có độ dốc khác nhau. Điện thế ăn mòn, điện trở suất của đất và građien thế đông-tây của các độ dốc khác nhau đều có ý nghĩa (P < 0,05). Điện thế oxy hóa khử của dốc xuống, dốc giữa và dốc tự nhiên đều có ý nghĩa (P < 0,05). Građien thế vuông góc với đường ray, tức là građien thế bắc-nam, là dốc lên> dốc xuống> dốc giữa. Giá trị pH của đất theo thứ tự dốc xuống> dốc lên> dốc giữa> dốc tự nhiên. Tổng lượng muối hòa tan, dốc tự nhiên cao hơn đáng kể so với dốc đường sắt (P < 0,05). Tổng hàm lượng muối hòa tan của đất dốc đường sắt loại ba là trên 500 mg/kg và tổng lượng muối hòa tan có tác động vừa phải đến ăn mòn kim loại. Hàm lượng chất hữu cơ trong đất cao nhất ở sườn tự nhiên và thấp nhất ở sườn xuống (P < 0,05). Tổng hàm lượng nitơ cao nhất ở sườn giữa và thấp nhất ở sườn lên; hàm lượng nitơ khả dụng 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 khả dụng cao hơn. Điều này cho thấy tốc độ khoáng hóa nitơ hữu cơ ở sườn dốc lên và xuống là nhanh. Hàm lượng kali khả dụng giống như hàm lượng phốt pho khả dụng.
Điện trở suất của đất là một chỉ số biểu thị độ dẫn điện và là 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 có tính ăn mòn cao 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 cho thấy các tiêu chí đánh giá cấp 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 đất thông qua điện trở suất đất thì đất ở sườn dốc có độ ăn mòn cao; đất ở sườn dốc có độ ăn mòn trung bình; đất ở sườn giữa và sườn tự nhiên có độ ăn mòn tương đối thấp đến yếu.
Điện trở suất của đất ở sườn dốc lên thấp hơn đáng kể so với các phần khác của sườn dốc, điều này có thể do xói mòn do mưa. Lớp đất mặt ở sườn dốc lên chảy về sườn giữa cùng với nước, do đó lưới bảo vệ mái dốc bằng kim loại ở sườn dốc lên nằm gần với lớp đất mặt. Một số lưới kim loại bị lộ ra và thậm chí lơ lửng trên không (Hình 1). Điện trở suất của đất được đo tại chỗ; khoảng cách cọc là 3m; độ sâu đóng cọc dưới 15cm. Lưới kim loại trần và rỉ sét bong tróc có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Do đó, không đáng tin cậy khi đánh giá độ ăn mòn của đất chỉ bằng chỉ số điện trở suất của đất. Trong quá trình đánh giá toàn diện về sự ăn mòn, điện trở suất của đất ở sườn dốc lên 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 lưới kim loại chôn trong đất39. Lưới kim loại tiếp xúc với không khí có thể làm giảm tuổi thọ, có thể làm mất ổn định đất dốc. Đất mất đi có thể khiến thực vật, đặc biệt là cây thân gỗ, khó phát triển. Do thiếu cây thân gỗ nên khó hình thành hệ thống rễ trên dốc để làm đông cứng 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 có thể giữ nước mà còn cung cấp môi trường tốt cho sự sinh trưởng và sinh sản của động vật và thực vật, do đó làm giảm sự mất đất. Do đó, trong giai đoạn đầu xây dựng, nên gieo nhiều hạt giống cây thân gỗ hơn trên sườn dốc và nên liên tục bổ sung chất giữ nước và phủ màng để bảo vệ, để giảm sự xói mòn của 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 đến mái dốc lên (Bảng 2). Trong điều kiện bình thường, điện thế ăn mòn không thay đổi nhiều trong một môi trường nhất định. Một sự thay đổi đáng chú ý có thể do dòng điện đi lạc gây ra. Dòng điện đi lạc là 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 giao thông đường sắt của nước tôi đã đạt được điện khí hóa quy mô lớn và sự ăn mòn của kim loại chôn vùi do rò rỉ dòng điện một chiều từ đường sắt điện khí hóa không thể bị bỏ qua. Hiện nay, có thể sử dụng độ dốc thế đất để xác định xem đất có chứa nhiễu loạn dòng điện đi lạc hay không. Khi độ dốc thế của đất mặt thấp hơn 0,5 mv / m, dòng điện đi lạc thấp; khi độ dốc thế nằm trong khoảng từ 0,5 mv / m đến 5,0 mv / m, dòng điện đi lạc ở mức vừa phải; khi građien thế lớn hơn 5,0 mv/m, mức dòng điện rò cao. Phạm vi nổi của građien thế (EW) của sườn giữa, sườn lên và sườn xuống được thể hiện ở Hình 3. Về phạm vi nổi, có dòng điện rò vừa phải theo hướng đông-tây và bắc-nam của sườn giữa. Do đó, dòng điện rò là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại ở sườn giữa và sườn xuống, đặc biệt là ở sườn giữa.
Nhìn chung, thế oxy hóa khử của đất (Eh) trên 400 mV biểu thị khả năng oxy hóa, trên 0-200 mV là khả năng khử trung bình và dưới 0 mV là khả năng khử lớn. Thế oxy hóa khử của đất càng thấp thì khả năng ăn mòn của vi sinh vật đất đối với kim loại càng lớn44. Có thể dự đoán xu hướng ăn mòn của vi sinh vật đất từ ​​thế oxy hóa khử. Nghiên cứu phát hiện ra rằng thế oxy hóa khử của đất ở ba sườn dốc lớn hơn 500 mv và mức độ ăn mòn rất nhỏ. Điều đó cho thấy điều kiện thông gió của đất trên đất dốc là tốt, không có lợi cho sự ăn mòn của vi sinh vật kỵ khí trong đất.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng tác động của độ pH đất lên xói mòn đất là rõ ràng. Với sự dao 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 diện tích và các vi sinh vật trong đất45,46,47. Nhìn chung, tác động của độ pH đất lên sự ăn mòn của vật liệu kim loại trong đất hơi kiềm là không rõ ràng. Đất của ba mái dốc đường sắt đều có tính kiềm, do đó tác động của độ 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 dốc có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,858), thế ăn mòn và građien thế (SN) có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,755), và thế oxy hóa khử và građien thế (SN) có tương quan dương đáng kể (R2 = 0,755). Có một mối tương quan âm đáng kể giữa thế năng và pH (R2 = -0,724). Vị trí dốc có tương quan dương đáng kể với thế oxy hóa khử. Điều này cho thấy có sự khác biệt trong môi trường vi mô của các vị trí dốc khác nhau và các vi sinh vật đất có liên quan chặt chẽ đến thế oxy hóa khử48, 49, 50. Thế oxy hóa khử có tương quan âm đáng kể với pH51,52. Mối quan hệ này chỉ ra rằng các giá trị pH và 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 âm. Thế ăn mòn kim loại có thể biểu thị khả năng tương đối để thu và mất electron. Mặc dù thế ăn mòn có tương quan dương đáng kể với gradien thế (SN), nhưng gradien thế có thể là do kim loại dễ bị mất electron.
Tổng hàm lượng muối hòa tan trong đất có liên quan chặt chẽ đến tính ăn mòn của đất. Nhìn chung, độ mặn của đất càng cao thì điện trở suất của đất càng thấp, do đó làm tăng điện trở suất của đất. Trong chất điện phân của đất, không chỉ các anion và các phạm vi thay đổi mà cả các tác nhân ăn mòn chủ yếu là cacbonat, clorua và sunfat. 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 hòa tan phân ly muối trong đất không tham gia trực tiếp vào các phản ứng điện hóa, nhưng 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 xói mòn đất càng mạnh. Hàm lượng muối của đất ở các sườn dốc tự nhiên cao hơn đáng kể so với các sườn dốc đường sắt, điều này có thể là do thực tế là 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 trưởng thành (vật liệu đất mẹ hình thành do phong hóa đá), nhưng đất sườn dốc đường sắt bao gồm các mảnh đá dăm làm 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 các sườn dốc tự nhiên tăng lên thông qua tác dụng mao dẫn trong quá trình bốc hơi bề mặt và tích tụ trong đất mặt, dẫn đến hàm lượng ion muối trong đất mặt tăng lên. Độ dày đất của sườn dốc đường sắt nhỏ hơn 20 cm, dẫn đến lớp đất mặt không có khả năng bổ sung muối từ đất sâu.
Các ion dương (như K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, v.v.) có ít tác động 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 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 ra sự ăn mòn ở một số vật liệu bê tông54. Cũng ăn mòn sắt. Trong một loạt các thí nghiệm về đất chua, tốc độ ăn mòn được phát hiện là tỷ lệ thuận với độ chua của đất55. Clorua và sunfat là thành phần chính của các muối hòa tan, có thể trực tiếp đẩy nhanh quá trình tạo lỗ rỗng của kim loại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự mất trọng lượng do ăn mòn của thép cacbon trong đất kiềm gần như tỷ lệ thuận với việc bổ sung các ion clorua và sunfat56,57. 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 hố ăn mòn đã hình thành58.
Theo tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn đất và kết quả thử nghiệm, hàm lượng ion clorua trong mỗi mẫu đất dốc đều trên 100 mg/kg, cho thấy độ ăn mòn đất mạnh. Hàm lượng ion sunfat ở cả sườn dốc lên và xuống đều trên 200 mg/kg và dưới 500 mg/kg, đất bị ăn mòn ở mức trung bình. Hàm lượng ion sunfat ở sườn dốc giữa thấp hơn 200mg/kg, đất bị ăn mòn yếu. Khi môi trường đất chứa nồng độ cao, nó sẽ tham gia 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, lớp vảy có thể bị phá vỡ đột ngột, do đó làm tăng tốc độ ăn mòn rất nhiều; 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 lại59. Nghiên cứu phát hiện ra rằng lượng trong đất thấp hơn và do đó ít ảnh hưởng đến sự ăn mòn.
Theo Bảng 4, mối tương quan giữa anion đất và độ dốc cho thấy có mối tương quan dương đáng kể giữa ion clorua và độ dốc (R2=0,836) và mối tương quan dương đáng kể giữa ion clorua và độ dốc và tổng lượng muối hòa tan (R2=0,742).
Điều này cho thấy rằng dòng chảy bề mặt và xói mòn đất có thể là nguyên nhân gây ra những thay đổi về tổng lượng muối hòa tan trong đất. Có một mối tương quan tích cực đáng kể giữa tổng lượng muối hòa tan và ion clorua, điều này có thể là do tổng lượng muối hòa tan là nhóm các 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, tổng nitơ, nitơ khả dụng, phốt pho khả dụng và kali khả dụng 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 thống rễ. Chất dinh dưỡng trong đất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vi sinh vật trong đất, vì vậy cần nghiên cứu xem có mối tương quan giữa chất dinh dưỡng trong đất và sự ăn mòn kim loại hay không. Đường sắt Suiyu được hoàn thành vào năm 2003, điều đó có nghĩa là đất nhân tạo chỉ mới trải qua 9 năm tích tụ chất hữu cơ. Do tính đặc thù của đất nhân tạo, cần phải hiểu rõ về các chất dinh dưỡng trong đất nhân tạo.
Nghiên cứu cho thấy hàm lượng chất hữu cơ cao nhất ở đất dốc tự nhiên sau toàn bộ quá trình hình thành đất. Hàm lượng chất hữu cơ ở đất dốc thấp là thấp nhất. Do ảnh hưởng của quá trình phong hóa và dòng chảy bề mặt, chất dinh dưỡng trong đất sẽ tích tụ ở giữa sườn dốc và sườn dốc, tạo thành một lớp mùn dày. Tuy nhiên, do đất dốc thấp có các hạt nhỏ và tính ổn định kém nên chất hữu cơ dễ bị vi sinh vật phân hủy. Khảo sát cho thấy độ che phủ và tính đa dạng của thảm thực vật ở giữa sườn dốc và sườn dốc cao, nhưng tính đồng nhất thấp, có thể dẫn đến sự phân bố không đều của chất dinh dưỡng trên bề mặt. Một lớp mùn dày giữ nước và các sinh vật đất hoạt động. Tất cả những điều này làm tăng tốc quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất.
Hàm lượng nitơ thủy phân kiềm của đường sắt dốc lên, dốc giữa và dốc xuống cao hơn so với dốc tự nhiên, cho thấy tốc độ khoáng hóa nitơ hữu cơ của dốc đường sắt cao hơn đáng kể so với 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 cốt liệu và lượng nitơ hữu cơ khoáng hóa càng lớn60,61. Phù hợp với kết quả của nghiên cứu 62, hàm lượng các cốt liệu hạt nhỏ trong đất của sườn dốc đường sắt cao hơn đáng kể so với sườn dốc tự nhiên. Do đó, phải thực hiện các biện pháp thích hợp để tăng hàm lượng phân bón, chất hữu cơ và nitơ trong đất của sườn dốc đường sắt và cải thiện việc sử dụng đất bền vững. Chất thải phốt pho và kali hữu ích do dòng chảy bề mặt chiếm từ 77,27% đến 99,79% tổng lượng chất dinh dưỡng bị mất của sườn dốc đường sắt. Dòng chảy bề mặt có thể là động lực chính gây mất chất dinh dưỡng hữu ích trong đất dốc63,64,65.
Như thể hiện trong Bảng 4, có một mối tương quan dương đáng kể giữa vị trí độ dốc và lượng phốt pho khả dụng (R2 = 0,948), và mối tương quan giữa vị trí độ dốc và lượng kali khả dụng là như nhau (R2 = 0,898). Điều này cho thấy vị trí độ dốc ảnh hưởng đến hàm lượng phốt pho khả dụng và kali khả dụng 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 tốc độ làm giàu càng lớn. Đối với sự làm giàu chất dinh dưỡng trong đất, sự mất chất dinh dưỡng bị suy yếu và tác động của vị trí dốc đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất và sự làm giàu nitơ tổng thể là 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 do rễ cây tiết ra. Axit hữu cơ có lợi cho quá trình cố định phốt pho khả dụng và kali khả dụng trong đất. Do đó, có mối tương quan đáng kể giữa vị trí dốc và phốt pho khả dụng, và vị trí dốc và kali khả dụng.
Để làm rõ mối quan hệ giữa chất dinh dưỡng trong đất và sự ăn mòn đất, cần phải phân tích mối tương quan. Như thể hiện trong Bảng 5, thế oxy hóa khử có tương quan âm đáng kể với nitơ khả dụng (R2 = -0,845) và tương quan dương đáng kể với phốt pho khả dụng (R2 = 0,842) và kali khả dụng (R2 = 0,980). Thế 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, sau đó ảnh hưởng đến một loạt các tính chất của đất. Do đó, đây là một yếu tố quan trọng trong việc xác định hướng chuyển đổi chất dinh dưỡng trong đất67. Các phẩm chất oxy hóa khử khác nhau có thể dẫn đến các trạng thái và tính khả dụng khác nhau của các yếu tố dinh dưỡng. Do đó, thế oxy hóa khử có mối tương quan đáng kể với nitơ khả dụng, phốt pho khả dụng và kali khả dụng.
Ngoài các tính chất của kim loại, khả năng ăn mòn cũng liên quan đến các tính chất của đất. Khả năng ăn mòn có tương quan nghịch đáng kể với chất hữu cơ, cho thấy chất hữu cơ có tác động đáng kể đến khả năng ăn mòn. Ngoài ra, chất hữu cơ cũng có tương quan nghịch đáng kể với gradien thế (SN) (R2 = -0,713) và ion sunfat (R2 = -0,671), cho thấy hàm lượng chất hữu cơ cũng ảnh hưởng đến gradien thế (SN) và ion sunfat. Có một tương quan nghịch đáng kể giữa độ pH của đất và kali khả dụng (R2 = -0,728).
Nitơ khả dụng có tương quan nghịch đáng kể với tổng muối hòa tan và ion clorua, còn phốt pho và kali khả dụng có tương quan thuận đáng kể với tổng muối hòa tan và ion clorua. Điều này chỉ ra rằng hàm lượng chất dinh dưỡng khả dụng ảnh hưởng đáng kể đến lượng muối hòa tan và ion clorua trong đất, và các anion trong đất không có lợi cho sự tích tụ và cung cấp các chất dinh dưỡng khả dụng. Tổng nitơ có tương quan nghịch đáng kể với ion sunfat và tương quan thuận đáng kể với bicarbonate, cho thấy tổng nitơ có ảnh hưởng đến hàm lượng sunfat và bicarbonate. Cây trồng ít có nhu cầu về ion sunfat và ion bicarbonate, vì vậy hầu hết chúng đều ở dạng tự do trong đất hoặc được hấp thụ bởi keo đất. Ion bicarbonate có lợi cho sự tích tụ nitơ trong đất, và ion sunfat làm giảm tính khả dụng của nitơ trong đất. Do đó, việc tăng hàm lượng nitơ và mùn khả dụng trong đất một cách thích hợp có lợi để giảm ăn mòn đất.
Đất là một hệ thống có thành phần và tính chất phức tạp. Độ ăn mòn của đất là kết quả của tác động hiệp đồng của nhiều yếu tố. Do đó, phương pháp đánh giá toàn diện thường được sử dụng để đánh giá độ ăn mòn của đất. Tham khảo “Quy định về điều tra kỹ thuật địa kỹ thuật” (GB50021-94) và phương pháp thử nghiệm của Mạng lưới thử nghiệm ăn mòn đất Trung Quốc, cấp 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 ăn mòn yếu, không có ăn mòn vừa phải hoặc ăn mòn mạnh; (2) nếu không có ăn mòn mạnh, thì được đánh giá là ăn mòn vừa phải; (3) nếu có một hoặc hai nơi ăn mòn mạnh, thì được đánh giá là ăn mòn mạnh; (4) nếu có 3 hoặc nhiều nơi ăn mòn mạnh, thì được đánh giá là ăn mòn mạnh đối với ăn mòn nghiêm trọng.
Theo điện trở suất đất, thế oxy hóa khử, hàm lượng nước, hàm lượng muối, giá trị pH và hàm lượng Cl- và SO42-, cấp 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.
Tiềm năng ăn mòn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Tiềm năng ăn mòn của ba mái dốc đều thấp hơn -200 mv, có tác động lớn nhất đến sự ăn mòn của lưới kim loại trên dốc. Độ dốc tiềm năng có thể được sử dụng để đánh giá cường độ của dòng điện đi lạc trong đất. Dòng điện đi lạc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại trên các sườn dốc giữa và sườn dốc lên, đặc biệt là ở các sườn dốc giữa. Tổng hàm lượng muối hòa tan trong đất ở các sườn dốc trên, giữa và dưới đều trên 500 mg/kg và tác động ăn mòn lên lưới bảo vệ mái dốc ở mức trung bình. Hàm lượng nước trong đất là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ăn mòn của lưới kim loại ở sườn dốc giữa và sườn dốc xuống, và có tác động lớn hơn đến sự ăn mòn của lưới bảo vệ mái dốc. Các chất dinh dưỡng có nhiều nhất trong đất ở giữa sườn dốc, cho thấy có hoạt động vi sinh vật thường xuyên và sự phát triển nhanh chóng của thực vật.
Nghiên cứu cho thấy tiềm năng ăn mòn, gradient tiềm năng, 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 khả năng ăn mòn đất được đánh giá là mạnh. Sự ăn mòn của mạng lưới bảo vệ mái dốc là nghiêm trọng nhất ở sườn dốc giữa, cung cấp tham chiếu cho thiết kế chống ăn mòn của mạng lưới bảo vệ mái dốc đường sắt. Việc bổ sung thích hợp nitơ và phân hữu cơ có sẵn có lợi cho việc giảm ăn mòn đất, tạo điều kiện cho cây trồng sinh trưởng và cuối cùng là ổn định mái dốc.
Cách trích dẫn bài viết này: Chen, J. et al. Ảnh hưởng của thành phần đất và điện hóa học đến sự ăn mòn của mạng lưới mái dốc đá dọc theo tuyến đường sắt Trung Quốc. Khoa học. Tạp chí 5, 14939; doi: 10.1038/srep14939 (2015).
Lin, YL & Yang, GL Đặc điểm động của mái dốc nền đường sắt dưới tác động của động đất, thiên tai.69, 219–235 (2013).
Sui Wang, J. et al. Phân tích thiệt hại động đất điển hình của đường cao tốc ở khu vực chịu ảnh hưởng của động đất Vấn Xuyên thuộc tỉnh Tứ Xuyên[J]. Tạp chí Cơ học và Kỹ thuật Đá Trung Quốc. 28, 1250–1260 (2009).
Weilin, Z., Zhenyu, L. & Jinsong, J. Phân tích thiệt hại do động đất và các biện pháp đối phó với cầu đường bộ trong trận động đất Vấn Xuyên. Tạp chí Cơ học và Kỹ thuật Đá Trung Quốc. 28, 1377–1387 (2009).
Lin, CW, Liu, SH, Lee, SY & Liu, CC Tác động của trận động đất Chichi đến lở đất do lượng mưa tiếp theo ở miền trung Đài Loan. Địa chất Kỹ thuật.86, 87–101 (2006).
Koi, T. et al. Tác động lâu dài của lở đất do động đất gây ra đối với sản xuất trầm tích ở lưu vực núi: Vùng Tanzawa, Nhật Bản. Địa mạo. 101, 692–702 (2008).
Hongshuai, L., Jingshan, B. & Dedong, L. Tổng quan nghiên cứu về phân tích độ 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 mối nguy hiểm địa chất do trận động đất Vấn Xuyên ở Tứ Xuyên gây ra. Tạp chí Địa chất Kỹ thuật 4, 7–12 (2008).
Ali, F. Bảo vệ mái 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. Tác động địa hình lên rừng nhiệt đới vùng núi thấp dưới các điều kiện địa chất khác nhau ở Núi Kinabalu, Borneo. Sinh thái thực vật.159, 35–49 (2002).
Stokes, A. et al.Đặc điểm rễ cây lý tưởng để bảo vệ các sườn dốc tự nhiên và nhân tạo khỏi 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 đất mặt trong quá trình dòng chảy tập trung. Địa mạo học 76, 54–67 (2006).